在传统的高功率微波源中，一般输出的都是单个主频率。作为高功率微波武器的核心部件，按照其效应机理，可以先让两个或是多个频率相近的主频率的微波输出脉冲发生拍频效应，再用拍波去攻击目标，这样就可以降低目标的破坏阀值。本文研究的相对论返波振荡器的结构为双频同轴变阻抗结构，提出了X波段的双频变阻抗两段式的同轴相对论返波管的物理模型，并获得了稳定的频率相近的双频微波输出，且此双频之间形成了稳定的拍频。本文主要研究了以下的几个方面：1．介绍了高功率微波源的背景，介绍了高功率相对论返波振荡器研究的进展，以及其在研究中，所遇到的一些主要问题和解决方法，对双频的相对论返波振荡器研究的动态及其目的与意义进行了一定的介绍。2．介绍了高功率相对论返波振荡器的基本结构，对其工作原理和工作特点进行了一定的说明，在此基础上，讨论了采用非均匀慢波结构的相对论返波振荡器，并对双频微波输出的原理进行了一定的分析。3．对所采用的同轴两段式波纹的慢波结构进行了一定的理论分析，推导了在冷色散方程及其热色散方程，并给予了数值计算及分析。4．介绍了粒子模拟的方法，然后在CHIPIC中对所设计的物理模型建立了粒子模拟模型，通过模拟得到了稳定的X波段中的双频微波输出，结果表明在403kV的电子注电压、12.5kA的电流、0.73T的引导磁场下，器件得到了稳定的双频微波输出，它们的频率分别为7.85GHz、8.35GHz，其中平均功率约为0.7GW，平均功率效率为13.9%。5.推导了耦合阻抗方程，并对可提高微波输出功率效率的变阻抗慢波结构进行了初步的分析和讨论。并通过优化，器件获得了在C波段和X波段的双波段的双频微波输出。