空间相干功率合成是高功率微波器件突破单管物理机制限制,实现更高输出功率的重要途径。由于具有输出微波频率、相位可控等优点,相对论速调管放大器成为空间相干功率合成的核心器件。传统空心相对论速调管放大器受到功率容量的限制,主要应用于S波段等低频段。为满足高pf 2因子的要求,本文采用三轴速调管放大器（TKA）技术路线,研究高功率高效率TKA谐振腔的设计方法、谐振腔之间杂模耦合的抑制、谐振腔之间微波正反馈的建立与器件小型化、降低TKA导引磁场的方法等问题,并以此为基础,研制出一台具有高功率、高效率、锁频锁相效果良好的X波段TKA。论文的主要内容和结论如下:1.采用数值方法计算了同轴漂移管中环形电子束的空间电荷极限流、同轴谐振腔功率容量与相关参数的依赖关系,为TKA尺寸设计提供了依据。计算了表征谐振腔对电子束调制能力的特性阻抗、耦合系数、电子束负载电导及基波调制电流等参数,为谐振腔的设计提供了指导。2.研究了注入微波功率在10 k W量级时,TKA内各谐振腔的设计方法。获得了注入腔的匹配吸收条件,分析了Q值、频率、场分布等因素对各谐振腔调制能力的影响。利用粒子模拟软件设计了单端口重入式注入腔、双腔级联式群聚腔和双间隙驻波提取腔,最终在二维粒子仿真中,可以实现110%的基波电流调制深度,获得超过2.5 GW的高功率微波输出。3.有效抑制了TKA各谐振腔之间杂模耦合的影响,并对X波段TKA进行了三维粒子模拟研究。分析了谐振腔之间TEM模式、非旋转对称模式的产生与影响。通过设计模式反射器与微波衰减材料,有效抑制了谐振腔之间的杂模耦合。在三维粒子模拟中,当电子束电压为690 k V、电流为9.3 k A时,在注入微波频率为8.40GHz、功率为25 k W时,获得了2.42 GW的稳定微波输出。转换效率为38%,增益约为49.8 d B,锁频锁相效果良好。4.研究了谐振腔间的TEM模式微波耦合,并以此为依据在TKA内建立了微波正反馈通道,在有效缩短器件轴向尺寸的情况下,实现了高基波电流调制深度与高功率微波输出。分析了谐振腔之间TEM模式正、负反馈的建立条件。在正反馈条件下,重新设计了第一群聚腔上游的模式反射器,该反射器同时实现了对TEM模式的高效利用和对非工作模式的有效截止。在器件总轴向长度减小24%的情况下,产生了功率为2.25 GW的输出微波,且在100 ns内没有杂频振荡。5.研究了降低TKA导引磁场的相关物理问题。分析了影响TKA低磁场运行的因素,结果表明反射器的本征模式在回旋效应下的振荡是限制器件低磁场工作的重要原因。通过优化二极管、注入腔结构,同时设计高阶模反射器,实现了TKA在0.4 T导引磁场下的正常工作。6.对TKA进行了工程设计与高功率实验研究。首先在实验室原9.375 GHz单群聚腔TKA平台上,验证了双腔级联式群聚腔在提高功率、效率与控制非对称模式等方面具备良好潜力。之后开展了8.40 GHz高功率高效率TKA的相关实验。在注入微波功率为0时,没有检测到输出微波,证明了器件处于放大器状态。在电子束电压为610 k V、电流为9.1 k A,导引磁场0.77 T,注入微波功率为40 k W时,实验产生了功率约为1.7 GW,效率为31.8%,增益为46.5 d B,半高宽超过70ns的高功率微波输出。输出微波频率严格锁定在8.40 GHz,相对相位差稳定在±10°以内,具有良好的锁频锁相特性。此外,研究了电子束电压、电流、注入微波功率、注入微波频率、谐振腔Q值、频率等参数对输出结果的影响。