目前用于引导高功率微波（HPM）产生器工作的强磁场系统限制了 HPM技术的实用化,因而使用低磁场引导的HPM产生器逐渐成为了研究热点。相对论返波管（RBWO）作为HPM产生器件的典型代表,具有高功率、适合重频工作的优势,但在低磁场下工作效率始终较低,成为了制约其发展的瓶颈。在此背景下,本论文基于速调型RBWO的基本构型,针对其低磁场工作时存在的束流包络展宽较宽、群聚电流较低、能量提取不充分等典型工作特征,提出并研究了一种低磁场高效率RBWO,结合理论分析、数值模拟以及实验研究,大幅提高了低磁场RBWO的转换效率。论文研究的着眼点之一在于低磁场束流的规律认识和有效调控。一方面从束流振荡相位出发,通过理论分析揭示了强微波场中束流相位影响包络扩散状态的机理,通过控制进入谐振反射器中的束流相位,降低了 RBWO中的束流能散,将转换效率提升了 8个百分点;另一方面从束流振幅出发,通过三维非线性理论研究给出了束流振幅影响RBWO效率的物理内涵,提出了一种带阳极腔的管头结构,通过局部增强的径向电场有效降低了束流振幅,促进了束流群聚,将转换效率提升了 4个百分点。论文研究的另一个着眼点在于对射频场局部和整体的调控。一方面通过引入提供部分微波反射的波导腔结构显著增强了提取腔中的局部谐振场,增强了产生的集中渡越辐射,将转换效率提升了 5个百分点;另一方面通过非均匀慢波结构以及内反射器的设计,对器件内的射频功率分布进行了调控,在功率容量允许的范围内使得能量提取更加集中,充分发挥了速调型RBWO能量集中提取的优势。结合上述设计思想,对C波段低磁场高效率RBWO进行了结构设计和PIC模拟研究。当引导磁场、二极管电压、电流分别为0.32 T、820 kV和15.5 kA时,模拟中实现了频率4.36 GHz、功率5.3 GW、效率42%的HPM输出。基于TPG2000脉冲驱动源开展了相关实验研究。当引导磁场、二极管电压、电流分别为0.42 T、815 kV和18.5 kA时,所设计的器件在实验中实现了频率4.4 GHz、功率5.0 GW、效率33%的HPM输出,功率和效率在国际上公开报道的同频段低磁场HPM产生器中均为最高。最后基于实验结果,进行了永磁体设计,给出了 5 GW级HPM源的永磁包装系统方案。