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相对论返波管振荡器(relativistic backward wave oscillator,RBWO)因具有高功率、高效率等优点,是当前最具潜力的高功率微波(high power microwave,HPM)器件之一。然而RBWO要求的引导磁场强度较高,这一缺点极大地阻碍了以RBWO为微波源的HPM系统的小型化和实用化。为了降低器件所需的引导磁场强度,本论文对S波段低磁场RBWO进行了理论分析、粒子模拟和实验研究,并对该RBWO的配套小型磁场开展了研究。论文首先对相对论返波管振荡器的回旋共振吸收效应进行了理论分析,从回旋共振同步条件推导出发生电子回旋共振吸收的引导磁场强度。随后通过器件中电子分布函数及其微扰项所满足的方程出发,推导出相对论返波管振荡器中输出微波功率随引导磁场强度的变化。在发生电子回旋共振吸收的引导磁场强度下,器件输出微波功率为零,以此为分界,RBWO的工作区域被划分为低磁场区和高磁场区。本论文所研究的RBWO工作在低磁场区域。其次,论文对低磁场条件下S波段RBWO进行了粒子模拟研究。在粒子模拟中增大电子束与器件内壁间距,解决了低磁场强度下的电子束传输问题。通过设计特殊慢波结构,使电子束在离慢波结构表面较远时仍能保持较高的束波互作用效率。慢波结构分为两段,前段周期长度较大,波纹深度较浅,保证了慢波结构的结构波相速与电子束速度同步,实现电子束的调制;后段慢波结构是电子换能的主要区域,其周期长度较短,波纹深度较深,降低了慢波结构的结构波相速,提高了束波互作用阻抗。通过粒子模拟优化了 RBWO的结构参数并确定了引导磁场强度,在0.17T的低引导磁场条件下,利用电压507kV、电流6.7kA的强流相对论电子束,获得了功率770MW,效率23%,频率2.84GHz的模拟输出微波。随后在超导磁体上开展了 S波段低磁场RBWO原理验证实验。在引导磁场0.17T,束压510kV、束流6.9kA的条件下,获得了脉宽47ns,功率722MW,频率2.84GHz,效率20%的单次脉冲微波输出。在相同的引导磁场条件下以10Hz的重复频率进行实验,获得了平均功率679MW的10Hz重频微波输出。最后针对本论文的S波段低磁场RBWO尺寸及其所需的磁场强度进行配套磁场小型化研究。相较于普通S波段RBWO所需的磁场,该配套螺线管磁场的外半径下降了20%,耗能下降了 92.1%。