近年来,跨波段微波源成为重要研究方向。但是,现有频率调谐器件存在频率调谐带宽窄、波段间隔小、调节方式复杂等问题。本论文提出了一种基于双环形阴极的跨X、Ka波段跳频相对论切伦科夫振荡器,利用理论分析和粒子模拟方法对该器件进行了系统的研究。论文的研究内容包括以下几个方面:首先,对过模慢波结构及其冷腔特性进行了系统的理论研究。建立了无限长同轴矩形慢波结构和无限长空心慢波结构冷腔物理模型,求解和计算了无限长同轴矩形慢波结构和空心慢波结构色散特性,研究了慢波结构参数的影响规律。在此基础上研究了慢波结构的耦合阻抗特性。其次,为实现跨波段跳频,设计了基于双环形阴极的内、外双电磁结构。其中外部电磁结构用来激励起同轴慢波结构准TEM模的π模,内部电磁结构用来激励起空心慢波结构的TM01模的π模。内、外电磁结构相互隔离,工作过程相对独立,增大了输出微波频率的间隔。利用同轴准TEM模式和空心TM01模式具有表面波性质的特点,选择合适的电子束参数和慢波结构参数实现了横向模式选择;通过优化后置腔参数实现了纵向模式的选择。结合电子束传输特性以及回旋共振吸收现象,理论计算出共用导引磁场的大小。粒子模拟方面,采用2.5维粒子模拟软件对器件产生高功率微波的机制进行了研究,给出了束-波作用过程详细的物理图像。首先将内外电磁结构分开,独立开展了粒子模拟研究,重点解决束-波效率提高难题。保持二极管电压550k V、导引磁场0.85T一致,当外电子束电流为7.8k A,仿真输出X波段微波频率8.41GHz、功率1.5GW、效率34.9%,工作模式为同轴准TEM模式;当内电子束电流为4.4k A,仿真输出Ka波段微波频率31.3GHz、功率0.74GW、效率30.5%,工作模式为空心TM01模式。还提出了一种同轴双环形阴极在线调节技术方案,在不打开微波源真空室的条件下,仅通过调节内外阴极的伸出与缩进,使其产生的电子束分别与内外电磁结构作用,实现跨波段跳频,方案简单易行。进一步,探索了内外双波段同时实现的可行性,引入前置腔解决微波泄漏影响难题,得到典型双波段粒子模拟结果:在X波段,输出微波频率为8.41GHz,功率为1.47GW,效率为34.2%;在Ka波段,输出微波频率31.3GHz,功率为710MW,效率为30.7%。此外,还采用3维程序对2.5维程序的模拟结果进行了验证。最后,为了验证技术方案的可行性,针对对X波段进行了实验前的优化设计,兼顾高效率与低磁场,典型粒子模拟结果:输出微波中心频率为8.42GHz,输出功率1.58GW,束-波转换效率35%。开展了初步实验研究:当二极管电压为580k V、导引磁场为0.6T时,输出微波频率为9.4GHz,功率约200MW,微波脉宽为22ns。对频率漂移过大、功率偏低的原因进行了分析并进行改进。