在相关应用需求的推动下，高功率微波(High-Power Microwave,HPM)产生器件的小型化、紧凑化得到了越来越多的重视。无导引磁场Cerenkov型高功率微波振荡器具有结构紧凑、体积小、重量轻的优势，同时具有达到较高功率效率的潜力，但此类型器件在较高频段如X波段的相关研究较少，本论文工作之前还没有相关实验结果的报道，因此，本论文对一种X波段无导引磁场Cerenkov型高功率微波振荡器开展了理论、模拟与实验研究。论文的研究内容包括以下几个方面：
　　对器件开展理论与模拟研究。首先，研究了慢波结构的色散关系，通过无限长均匀周期的慢波结构的色散曲线得到了器件大致的工作频率与工作模式；然后结合实际器件中采用的非均匀慢波结构，通过驻波场模拟与粒子模拟结合的研究方法对非均匀慢波结构内的场分布与工作模式进行分析，得到器件的工作模式为类TM01的7π/8模，工作频率为9.1GHz，而在工作频点附近还存在高阶杂模即TM02的π/2模；接下来对高阶杂模的产生与抑制进行研究，通过电磁场模拟分析可知，收集极对微波的反射是高阶杂模产生的主要原因，因此在粒子模拟中可以发现收集极结构参数的改变直接影响着器件输出功率，并且这一影响与收集极结构参数对微波提取效率的影响有较强关联；随后，结合理论和模拟分析结果，对器件结构模型进行了仿真优化，当二极管电压与电流分别为620kV、9.0kA时，器件能够在模拟中产生频率为9.1GHz、功率为2.2GW、模式为同轴TEM模的微波，器件的功率效率为40%，这说明该器件具有达到较高功率效率的潜力；最后，结合模拟优化结果，分析器件中径向调制参与下的束波相互作用过程，说明了在无导引磁场条件下电子束与微波在径向上的相互作用使群聚电子束能够靠近慢波结构表面移动，从而保证器件中束波相互作用的有效进行，但只有通过合理的优化使微波的相位调整至合适的位置，才能使电子束在径向方向得到的动能再通过束波相互作用重新转换为微波的能量，从而保证器件具有较高的功率效率。
　　对器件进行初步实验研究，发现限制器件输出性能的关键问题。首先，对器件的输出结构进行了设计，包括内导体支撑结构与天线结构等，并完成器件的整体实验工程设计；接下来，在完成高功率微波实验系统设计与相关测量装置准备的基础之上，开展了器件的初步实验研究，结合相关结果，分析了器件初步实验的关键问题，其中，阴极的屏蔽结构在实验中容易击穿以及其对电子束的约束能力较差、阳极网的透过率较低、阴极发射面的发射性能较差等是制约器件输出功率的关键问题；在器件的初步实验中，当二极管电压为620kV、电流为14kA时，得到了功率为110MW、频率为9.1GHz的微波输出。
　　对二极管结构进行优化，并对阴极发射特性开展研究。对二极管结构设计的相关问题进行了分析，优化设计了阴极屏蔽结构，通过采用圆弧面的均压式屏蔽结构，使其在二极管电压为500kV时的表面最大电场强度由450kV/cm降至350kV/cm，极大减小了屏蔽结构表面静电击穿的压力，同时也使电子束被约束的效果得到提升；通过采用直径为0.05mm的钨丝编制的阳极网，使阳极网的几何透过率由初步实验中的64%提高到超过90%，这不仅提高了电子束的利用率，还减少了阳极网等离子体的影响，另外，钨丝阳极网也具有较好的耐轰击性，能够承受超过150炮次的kA/cm2量级的电流密度、500keV能量的束流轰击；通过对表面刻槽纹的石墨阴极、天鹅绒面阴极、碳纤维簇阵列阴极的高速相机拍照实验，可以看出不同阴极发射均匀性、启动速度、发射稳定性等方面的差别，同时也验证了屏蔽结构对边缘场增强式发射的抑制作用，碳纤维簇阵列阴极的均匀性、启动速度、阻抗与导流系数的稳定性等方面都优于另外两种阴极，因此，从阴极发射特性角度分析，碳纤维簇阵列阴极的较低发射阈值、较高微观场增强特性、较强束流发射能力与耐烧蚀能力等，使其能够成为本器件阴极发射材料的合适选择。
　　采用优化二极管结构、碳纤维簇阵列阴极、钨丝阳极网等对器件进行改进后，开展了微波产生实验研究。首先，通过目击靶以及法拉第筒对电子束的传输效果进行验证，同时验证阳极网的高透过率；接下来，对改进后的器件开展微波产生实验研究，在二极管电压为430kV、电流为8.6kA、脉宽为50ns的条件下，得到了功率为310MW、频率为9.05GHz、脉宽为20ns的微波输出，功率效率为8.3%，通过微波辐射方向图可知，器件输出微波模式与理论分析基本一致，即主模为同轴TEM模。结合阴极表面形貌与相关模拟结果进行分析可知，阴极的发射均匀性是目前制约器件输出功率的关键因素之一，阴极的制作工艺仍需改进。