高功率微波功率合成技术是提高高功率微波器件脉冲能量和功率的一个重要的研究方向。相对论速调管具有高功率、高增益、高效率及相位稳定等优点,是功率合成的理想器件之一。相关应用的迫切需求推动了相对论速调管向着更高频率的方向发展。在高频段中,常规圆柱结构的相对论速调管难以实现高功率微波输出。为了突破功率限制,本文结合同轴谐振腔与多注漂移管结构特点,提出了Ka波段同轴多注相对论速调管放大器。本文采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对Ka波段同轴多注相对论速调管放大器的高频结构和束波互作用特性进行了深入研究。本文的研究内容分为以下几个方面:首先,从理论上分析了强流相对论电子束在漂移管中的传输过程,相较于圆柱结构,同轴结构更有利于电子束与谐振腔相互作用。研究电子束与同轴谐振腔互作用的电子负载电导。对常见双间隙及三间隙同轴谐振腔的不同模式的电子负载电导公式进行数值分析,找到了各模式下束波互作用最佳的间隙渡越角取值范围,从理论上指导了器件的设计。其次,为了在Ka波段能够产生高引入效率与品质因数良好的多注电子束,设计了一个多注二极管系统,对其进行参数优化的仿真研究和多注电子束高效率引入实验的研究。在电压为507kV的实验条件下,生成了总束流为2.8kA,注入漂移管电流为2.48kA,引入效率高达88.5%的多注电子束。验证了在Ka波段实现强流多注电子束高效率引入的可行性,为后续同轴多注相对论速调管提供了可靠的多注电子束源。再次,采用三维理论与电磁仿真软件相结合的方式研究了Ka波段同轴多注相对论速调管放大器的高频特性。重点研究了同轴谐振腔的结构参数对谐振频率、工作模式和特性阻抗的影响,发现了它们之间的变化规律,为Ka波段同轴多注相对论速调管放大器的整体设计提供理论与仿真指导。最后,利用Chipic三维粒子模拟软件分别对输入腔、中间腔以及输出腔进行粒子模拟仿真,得到各腔最佳的结构参数以及漂移管的最佳长度。使用三维电磁仿真软件对整管进行了三维粒子模拟,在电子束压为500kV、束流为2kA、输入微波功率为1.2kW、轴向均匀磁场为1T的条件下,获得了250MW的微波输出功率、效率为25%、增益为53dB、-3dB带宽为80MHz。