高功率微波源器件的小型化和紧凑化是当前高功率微波技术的重要发展方向之一。具有体积小、结构紧凑、重量轻、稳定性好、寿命长和可直接轴向辐射TE模式微波等特点的衍射输出相对论磁控管是满足小型化和紧凑化要求的重要器件之一。现阶段,对衍射输出相对论磁控管的研究还集中在频率较低的L、S等波段,尚未对高频段工作时的器件特点和工作特性进行研究。而由于具有波束窄和定向性好等优点,高频段的微波正得到广泛应用。基于以上考虑,本课题开展了X波段衍射输出相对论磁控管的研究工作。首先,开展了X波段衍射输出相对论磁控管的理论研究。通过分析磁控管结构和衍射输出结构的色散关系,研究了结构参数的影响。结果表明,当保持磁控管结构其他参数不变时,π模谐振频率与阴极半径、谐振腔半径和谐振腔张角成反比关系;与阳极半径成正比关系。衍射输出结构的π模截止波数随阳极半径和谐振腔张角成反比关系;随衍射输出结构口面半径和谐振腔腔数成正比关系。在此基础上,完成了X波段衍射输出相对论磁控管的结构设计。其次,对该器件进行了粒子模拟研究。利用粒子模拟软件对结构参数和外加磁场进行了优化。在阳极倾斜角8°,谐振腔倾斜角90°,衍射输出结构口面半径32.8 mm的结构参数和工作磁场0.41T及二极管电压370 k V、电流11.7 k A的条件下,模拟得到了功率1.08 GW,频率9.58 GHz,效率25.1%的微波输出,输出主模为TE01模式,纯净度到99.54%。并研究了衍射输出结构及外加磁场等参数对输出特性的影响。最后,采用粒子模拟的方法,研究了衍射结构张角槽数目和分布位置变化对X波段衍射输出相对论磁控管辐射微波特性的影响,并利用模式分析法分析了其具体模式成分。研究表明:具有2n个腔的高频段衍射输出相对论磁控管采用开槽方式控制输出模式时,应采用开n个张角槽的方式,保证器件具有较高的输出微波功率和模式纯净度。