提高高功率微波系统的辐射功率和输出微波频率是顺应高功率微波技术进一步发展及应用需求的必然趋势。目前,高功率微波源已在P、L、C、X等中低波段获得了吉瓦级的微波输出。而在较高频段,如广泛应用于卫星通信、卫星广播以及中继卫星数据交换的Ku波段,输出功率一般限制在百兆瓦量级。将多个该频段的高功率微波源进行相干功率合成便成为一种潜力很大的提高辐射功率的技术方案。相干功率合成要求高功率微波源之间能够锁频锁相,将外加信号注入到一个或多个微波源是实现锁频锁相的一个可行途径。同轴渡越时间振荡器(TTO)由于其阻抗低、功率容量高、所需的导引磁场低,有利于长脉冲运行,可以缓解高频器件所面临的空间极限流和射频击穿问题,是进行Ku波段高功率微波功率合成的一种比较理想的微波源。基于以上考虑,课题选择了Ku波段的同轴渡越时间振荡器进行锁相研究,为最终的微波功率合成提供技术支撑。论文主要内容如下。首先,推导了经典理论下的振荡器锁相条件;根据电路匹配理论得到了输入腔的匹配注入条件,并据此设计了输入腔,对注入信号的吸收率可达90%;利用谐振腔的小信号理论,设计了三腔调制腔,同时选取了π/2模为其工作模式,并确定了工作电压范围。其次,对注入式Ku波段TTO进行了粒子模拟研究。模拟结果表明:在电子束电压383 k V、束流9.6 k A,导引磁场0.7 T,注入信号频率14.164 GHz、注入比0.03(注入功率1 MW)的条件下,获得了功率1 GW、频率14.164 GHz的微波输出,功率效率为27.7%,锁相带宽为5 MHz。同时分析了器件工作时的射频场分布、电子束调制情况、渡越时间效应及结构参数对其工作性能的影响,模拟结果还表明反射腔在器件中的重要作用。最后,对注入式Ku波段TTO的锁相特性进行了研究。分析了注入比、频率差、注入时间和电压稳定性等参数对器件锁相特性的影响。模拟得出:注入比为0.11时,可得到72 MHz(即±36 MHz)的锁相带宽;外加信号的注入有利于加速饱和及提高输出功率;相同注入比下,粒子模拟得到的锁相带宽要远大于Adler锁相理论;外加注入信号在器件工作初期对电子束有引导作用,能够有效地抑制起振时的模式竞争;对注入式Ku波段TTO锁相带来影响的主要是二极管电压的变化,电子束厚度、导引磁场、漂移段长度的变化对锁相也有一定的影响。