相对论返波振荡器具有高功率、高效率、良好的稳定性等特点,是目前最有潜力的高功率微波器件之一,但其需要强磁场对电子束进行引导、约束,磁场系统庞大、笨重,制约了返波振荡器向小型化发展,降低甚至不加引导磁场成为相对论返波振荡器的研究方向。本文对S波段无外加导引磁场的相对论返波振荡器从理论分析、粒子模拟和实验设计等方面展开了研究工作,得到了一些有意义的结果。论文首先对慢波结构的色散曲线进行了理论分析,分别采用场匹配法和多项式展开法研究了慢波结构的色散特性,并详细研究了慢波结构中TM01模的色散特性与结构参数之间的关系,为器件的粒子模拟和设计提供了初始结构参数。论文还采用2.5维全电磁粒子模拟软件对S波段无外加导引磁场返波振荡器进行了粒子模拟研究。以均匀慢波结构的返波振荡器为模型研究了慢波结构的几何参数和二极管电压对其工作特性的影响,并进行了参数优化。结果表明在工作电压为335kV,束流为3.15kA的条件下,微波频率为2.79GHz,功率为274.2MW,束波转换效率达到26%。如果采用非均匀慢波结构,可以大大提高器件的束波转换效率。本文在均匀慢波结构的基础上研究了非均匀慢波结构,得到了较好的结果:在外加电压335kV,束流为3.19kA的条件下,微波功率358.2MW,频率为2.76GHz,效率达到34%。最后,对器件进行了实验设计。利用高频场分析软件设计了辐射系统,该辐射系统实现了TEM模到TM01模的模式转换、辐射波导与空间的匹配辐射、内导体的机械支撑、以及内外导体的金属连接等功能。另外,对非均匀结构S波段无外加磁场BWO进行了初步的工程设计。这些研究结果对今后开展无外加导引磁场返波振荡器的实验研究具有一定的参考价值。