高功率微波技术是高功率微波武器的关键技术之一，而高功率微波源是各种高功率微波系统的核心部件。用相近的双频或多频高功率微波波束产生拍频后用于攻击电子系统，高功率微波效应阈值将大大下降。双频高功率微波源(包括双频相对论返波振荡器)的研究刚处于起步阶段，国内外极少见到相关的报道。本文提出了双频同轴相对论返波振荡器的设想。通过建立双频理论模型，对双频微波信号产生的物理机理、形成过程、电子束与微波在高频结构内的线性及非线性作用等基本物理过程进行深入的理论分析，并采用数值计算和粒子模拟方法，分析探讨双频微波信号的物理过程，优化和完善双频相对论返波振荡器的高频结构。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 一、介绍了高功率微波研究背景，概括了相对论返波振荡器国内外发展现状，概括了双频高功率微波器件的研究动态，进而阐述了双频相对论返波振荡器的研究目的和研究意义。 二、以双频相对论返波振荡器为研究内容，通过对相对论返波振荡器非均匀慢波结构的分析，在阐述慢波结构参数选取原则后，初步建立了双频输出所采用的慢波结构理论模型。 三、推导了在冷腔时的TM0n模式色散方程，并数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TM0n模色散曲线，初步分析了器件X波段双频高功率微波输出的产生机理，分析中考虑了电子注在慢波结构第二段工作效率不变和下降时的双频工作点情况；对该结构进行了粒子模拟验证，结果表明考虑电子注在慢波结构第二段内互作用效率稍有下降更接近该结构双频器件中的注-波互作用实际情况。 四、推导热腔色散方程和耦合阻抗方程，通过数值计算，对热色散方程和耦合阻抗方程求解，分析慢波结构的几何参数对相对论返波振荡器的增长率的影响。为分析双频相对论返波振荡器的微波输出频率的影响因素，本文推导了慢波结构中的微波输出频率表达式，得出了微波频率受电子束电压、慢波结构周期、慢波结构平均半径和慢波结构幅度影响情况。 五、简要介绍了粒子模拟的基本思路、基本步骤和诊断方法，对双频相对论返波振荡器的物理模型进行了粒子模拟，并对相关影响参数进行了优化分析。双频的模拟结果表明：在580kV电压、9.8kA电流和0.7T的聚焦磁场条件下，器件能输出0.85GW的周期平均功率，功率效率约14.95％。 六、在本文的最后一部分，提出了三频及四频相对论返波振荡器的物理模型，并进行了初步试探性的粒子模拟，给出了相应的粒子模拟结果和分析对比。