相干功率合成是高功率微波技术发展的重要方向。基于热阴极的高阻抗相对论速调管具有高峰值功率、长脉宽、高效率、频率相位稳定等优势,是具有相干合成潜力的重要器件之一。本文采用粒子模拟的方法对一种X波段高阻抗相对论速调管放大器开展仿真设计,为进一步开展相关研究奠定了坚实的基础。主要内容包括:1.提出了具有同轴输出结构的X波段高阻抗相对论速调管放大器方案,与传统径向臂输出方案相比,具有结构紧凑、功率容量高等优点,适合高功率输出和应用。2.在对药盒型谐振腔冷腔特性分析、热腔测试等研究基础上,建立了器件高频结构全系统的粒子模拟模型,对器件的工作特性进行了系统地研究。分析了几何参数和工作参数对器件性能的影响,重点解决了输入腔匹配吸收,中间腔过调制抑制,束波转换效率提高等关键问题。通过优化设计,在阴极电压520 kV、束电流460 A、外加磁场0.4 T的条件下,模拟获得了基波电流调制深度达162%,功率105 MW、效率43.5%、增益50 dB、频率11.424 GHz的输出。3.结合器件对电子束产生和传输的需求,设计了一种高导流系数、大压缩比的电子光学系统,基本满足器件正常工作的要求。采用皮尔斯电子枪综合设计法建立了电子枪的物理模型,利用局部大曲率半径聚焦极和阳极来降低场强,优化了电子枪静电特性。利用SUPERFISH软件设计了相匹配的部分屏蔽流电磁聚焦系统,获得了电压525 kV、电流328 A的实心电子束,导流系数约0.9μp、面压缩比97、通过率100%、半径约3 mm,层流性良好且波动较小。