高功率微波技术自从上世纪70年代兴起以来得到蓬勃发展,经过几十年的研究,高功率微波技术在军用和民用领域都大放异彩。具有高功率、高效率、可重频运行等优点的相对论切伦科夫振荡器受到研究者青睐,为了早日应用于实践,研究一种高效率C波段相对论切伦科夫振荡器成为高功率微波应用领域的迫切需求。本论文的研究内容包括以下几个方面:本论文首先简要介绍高功率微波源及其分类。列举了近年来高效率RCO,低磁场RCO,长脉冲RCO的最新研究现状,阐明本论文的研究意义及主要内容。其次介绍了慢波结构的类型和常见的四种慢波结构的模型;推导了空心梯形慢波结构的色散方程,并使用Matlab软件编程求解,画出TM0n模式前三阶模式的色散曲线;研究了慢波结构结构参数对色散特性的影响,加深了对色散曲线的认识;利用Superfish软件计算了TM0 n模前三阶模式在π模处的电场矢量分布和Ez场径向分布,并用于指导慢波结构的设计。再次,论文阐述了器件设计的物理思想,分析了切伦科夫振荡器产生微波的机理;结合慢波结构的色散特性以及场分布特性进行了模式选择,即通过调整慢波结构的结构参数和电子束的电参数实现纵向模式选择和横向模式选择;联合电子束传输特性与回旋共振吸收特性计算出导引磁场的大小;利用软件设计了谐振反射腔,利用理论计算和软件辅助设计结合的方式设计了TM020提取腔,为后续粒子模拟奠定理论基础。最后,本文在以上理论研究基础上,运用粒子模拟方法,对C波段相对论切伦科夫振荡器展开了仿真模拟研究。观测了器件的粒子相空间分布及调制电流,研究了导引磁场、二极管电压大小,漂移段距离Lse对器件工作状态的影响,比较了采用不同收集极的器件在加载收集极带电粒子层后的工作状态。得到的典型结果如下:当导引磁场为1.2 T,二极管电压为680 k V,束流为12.4 k A时,输出微波起振时间为10 ns,饱和时间为22 ns,输出微波功率为3.5 GW,频率为4.32 GHz,效率42%。在此基础上开展三维验证,得到的结果与二维基本一致。观测了输出口电场分布,并根据程序计算得出输出口模式主模为较纯净的TM01模式,功率占比超过99.8%。