对强流相对论电子注(IREB)的空间电荷波小信号理论进行了分析，得到了空间电荷限制流的表达式、IREB空间电荷波色散方程、漂移管传输矩阵及电压增益方程，并与传统速调管比较后发现相对论速调管中电子束的空间电位很大，计算时不能忽略，并且由于该电位的存在，导致电子束在漂移管中传输时会损失能量。另外还导出了理想环形IREB的自洽非线性方程，这些方程取特殊情况时都能退化为最简单的线性或静态情况的表达式，虽然得出的非线性方程难以求解，但是通过对一些次要因素的简化后得到了受调制IREB的谐波分量的表达式。通过理论分析揭示了相对论速调管的一个新的特性，即它会在自身产生的空间电荷场作用下，能够进一步增强自身的电流调制。采用MAGIC模拟软件，用两种方法模拟了开放式谐振腔，并比较了它们的不同及适用范围。并进一步在一些简单的谐振腔理论的基础上，提出了一套模拟谐振腔Q值、R／Q值的方法，该方法不仅适用于速调管谐振腔的设计，它对于其它形状复杂的腔体的设计同样适用。另外还用数值模拟的方法研究了IREB的一个重要特性：空间电位及空间电荷限制流，并把模拟的结果与理论比较，发现这两者是吻合的。最后运用上面所得出的一系列理论及模拟方法，分别对相对论速调管的注入腔、聚束腔和输出腔的工作特性进行了详细的分析和优化设计，我们采用3kA和500kV的环形强流相对论电子束，最后得到了工作频率为2.85GHz、饱和增益为36.8dB、效率为30.3％、带宽大约60MHz、平均功率为455MW，峰值功率可达1.3GW的微波输出的相对论速调管，输出微波的幅值平稳，相位稳定。其中该效率已经达到了常规三腔相对论速调管理论上的最大效率。