微波能是一种高效、清洁的能源，在诸如冶金、化学、食品、石油和新材料等许多领域中展现了巨大的潜力和良好的应用前景。大功率连续波磁控管具有高功率、高效率、低成本等诸多优点，成为微波能工业应用的最佳选择。扇槽形谐振腔具有较高的特性阻抗和良好的散热性能，适用于大功率连续波磁控管。由于单个磁控管的功率有限，难以满足微波能工业应用的需求，需要对多个磁控管进行相干功率合成。注入锁频磁控管频率稳定度高，幅相特性好，非常适合相干功率合成，是实现工业用大功率微波源的基础。本文对大功率连续波注入锁频磁控管进行了理论与实验研究。主要包括磁控管高频系统的等效电路分析和场分析、磁控管的注入锁频理论与频率特性以及注入锁频磁控管的仿真与实验。　　本研究主要内容包括：⑴采用等效电路的方法，推导了电容、电感耦合无隔模带磁控管谐振频率及模式分隔度的表达式，并分析了电感、电容耦合对谐振频率和模式分隔度的影响;推导了扇槽形谐振腔的谐振频率关于结构尺寸的表达式，分析了槽长、槽宽等结构尺寸对谐振频率的影响，采用CST仿真软件验证了理论分析的准确性。等效电路的计算结果与仿真结果基本吻合，证明了用等效电路法求解谐振频率的有效性。⑵引入扇形阶梯近似模型，利用阶梯导纳递推关系以及谐振腔区与互作用区的场匹配关系，得出了任意形谐振腔同腔式及异腔式（旭日型）磁控管的色散方程。对多种类型的同腔式和旭日型磁控管谐振频率进行了理论计算，并用CST仿真软件验证了理论的准确性。理论计算结果与仿真结果较为吻合，最大误差小于2％，证明了扇形阶梯近似方法的准确性。⑶采用磁控管的等效电路，结合磁控管稳定振荡的条件，分析了阻抗匹配或存在失配两种情况下的磁控管注入锁频理论，推导出了在小注入比和大注入比情况下以及存在失配条件下注入锁频磁控管的相位微分方程和锁频带宽表达式。对理论方程进行了数值求解，同时通过三维粒子仿真软件对锁频理论进行了对比验证。结果表明，在两种情形预测的锁频带宽内，磁控管均能被锁定并稳定工作，大注入比情况比小注入比情况预测了更大的锁频带宽，更加符合实际情况。当环形器的反射系数为0.1时，锁频带宽和稳态相位差较理想情形分别减小1％和1.2％，说明实际应用中较小的失配不会严重影响注入锁频系统的性能。⑷通过引入等功率电压表达式，将磁控管的频推效应与等效电路有效结合起来，得出了自由振荡磁控管输出电压、频率以及注入锁频磁控管高频电压、注入比、锁频带宽关于直流电压和磁场的表达式，并对理论公式进行了数值计算。采用三维粒子仿真验证了输出功率和频率的理论数值，并采用实验的方式验证了磁控管的高频电压和频率随直流电压和磁场的变化关系。理论分析结果与仿真和实验结果相符，验证了频率特性理论的准确性。⑸通过软件仿真和装管测试的方法确定了2.45GHz大功率连续波磁控管的谐振系统和能量输出器的结构以及工作点。采用CST和MAGIC3D两种仿真软件对其自由工作状态和注入锁频工作状态进行仿真，提出了环形对称三天线注入方式。最后，设计了完整的注入锁频方案，成功对15kW和20kW的大功率连续波磁控管进行了注入锁频实验，结果表明，输出功率、频率和注入比均符合各项指标要求。