相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier,RKA)是一种输出功率在吉瓦(GigaWatt,GW)量级的微波器件,其电子束产生、束波互作用、微波提取、电子束收集是在不同区域中完成的,具有高功率、高增益、高效率、幅度和相位稳定的特点,广泛应用于通信、雷达、微波武器等领域,具有极大的军用和民用前景。目前国内设计的RKA的微波提取效率还比较低,为获得较高的输出功率,通常是给阴极提供很大的发射电压和电流,这需要性能更高的加速器。因此,设计出微波提取效率更高的RKA不仅能够提高输出功率,而且有利于减小系统体积和重量。输出腔对于RKA的效率有重要影响。输出腔提取效率的高低,直接影响整管的效率。本论文主要研究了S波段的RKA输出腔,推导了输出腔的电子效率计算式,设计了双间隙输出腔和单间隙输出腔模型,计算了高频特性和粒子模拟。最后设计了二次提取腔,并进行了粒子模拟仿真。本论文的主要研究内容如下:首先分析了输出腔的等效电路模型。以一维电子圆盘模型大信号理论为基础,推导了输出腔束波转换效率关系式,重点分析了单间隙输出腔和双间隙输出腔的电子效率表达式,并分析了多个变量对电子效率的影响。利用常规大功率速调管放大器的设计思路,分析了RKA输出腔主要性能指标及参数选取,包括直流电子束参数、电子束聚焦参量、谐振腔的参数等。研究了双间隙和单间隙输出腔的封闭腔高频特性,分别计算了本征模谐振频率及场分布,之后对封闭腔开了耦合孔,设计出了双间隙输出腔、单间隙输出腔的开放腔,计算了它们谐振频率、场分布、有载Q值(LQ)及特性阻抗R/Q等参数。利用粒子模拟程序,对双间隙输出腔的封闭腔和开放腔分别进行了模拟,观察了一些高频特性及微波提取情况,分析了双间隙提取腔对电子束提取后电子束剩余能量的分布。根据电子束剩余的能量确定了电压值并利用此电压作为重要参量设计了单间隙输出腔,分析了其冷腔及热腔特性。最后设计了一种二次提取腔,并对此结构进行了PIC模拟和优化。模拟结果表明,利用电压和电流分别为900keV、7.5kA的电子束,电流调制深度100%,外加1.2T的轴向引导磁场,模拟得到微波功率3.5GW,其中,初级提取腔输出功率值为2.5GW,次级提取腔输出功率值为1.0GW,总的提取效率约52%。