由于物理机制和工艺结构的固有限制,各种微波源均有其物理极限。在寻求更高功率相干辐射的过程中,基于锁相方法的功率合成技术成为一种重要的方案。本文主要研究了以相对论磁控管为基本单元的注入式锁相方案和级联式锁相方案,并探讨了空间功率合成技术,设计了功率合成的实验方案。由于本文的锁相模型均是以相对论磁控管为单元构建的,因而对磁控管进行了系统的理论和模拟研究。首先分别从场分析方法、等效电路方法和高频软件模拟方法分别研究了磁控管的高频特性,三种方法的结果能吻合较好。对三提取腔的A6相对论磁控管的粒子模拟结果表明,在工作电压500kV、外加磁场0.5T的条件下单输出口获得2.9GHz、530MW的微波输出,器件效率约为26.5%。此外还讨论了工作点、阴极帽、阳极端帽和透明阴极结构对磁控管工作特性的影响。在注入式锁相模型的研究中,首先讨论了经典锁相条件,并通过粒子模拟研究了信号注入时间、注入信号的注入比及频率差对锁相模型的影响。研究表明,外加信号的注入可以控制或扰乱原有的稳定振荡,停止注入时磁控管能回到其自由振荡状态。模拟结果得出的锁相范围比经典条件大,据此对经典理论给出的锁相条件公式进行了修正。在互锁式锁相模型研究中,选用结构紧凑的级联式锁相模型。首先研究了级联结构的连接段部分对信号传输的影响。研究表明,传输参数随连接段长度的增大而减小,随连接段口径的增大而增大。然后通过粒子模拟研究了连接段结构的长度和半径对锁相状态的影响。结果表明,合理的连接段结构能实现磁控管单元之间的锁相,磁控管单元达到锁相的时间小于10ns。锁相状态下磁控管单元之间的相位差稳定,其幅值波动在±36°以内。最后,对功率合成技术进行了初步的探讨。根据不同空间功率合成方法的特点,选用平行束进行功率合成,并对相应的辐射系统进行了初步的研究。设计了基于磁控管级联锁相模型的功率合成系统的实验方案,并讨论了相关参数的监测方法。