相对论返波振荡器是有发展前途的高功率微波源之一,具有电磁结构紧凑、效率高和运行稳定等特点,在国际上受到广泛重视。目前,关于X波段和C波段的相对论BWO的报导很多,但关于L波段的相对论BWO报导却很少。发展L波段相对论返波振荡器是目前这一领域追求的目标之一,但遇到的主要障碍是L波段返波振荡器的小型化问题。若采用非同轴相对论返波振荡器实现L波段的微波输出,则要求慢波结构的平均半径很大,导引磁场系统的体积和重量会变得较大,这给器件的小型化带来了很大的困难。研究表明同轴相对论返波振荡器可以在相互作用区半径不大的情况下较容易地实现L波段的微波输出,对研制重量轻、体积小的紧凑型L波段返波振荡器有重要的实际意义。首先,本论文采用线性理论模型研究了同轴相对论返波振荡器的相互作用过程。采用线性理论推导了无穷大引导磁场下的同轴TM模式色散关系式,并编程数值求解了一定条件下的色散曲线、时间增长率、空间增长率。求解结果表明TM01模式的时间增长率和空间增长率的峰值与其它模式相比均是最大的,因此器件工作在TM01模式将会获得较好的输出结果。为了便于器件设计,我们重点分析了TM01模式的色散曲线随器件几何尺寸的变化情况,具有较好的参考价值。其次,利用线性理论分析结果,我们给出了一个L波段同轴相对论返波振荡器的物理模型,并从理论上分析了其束波相互作用的物理过程。结果表明:采用同轴慢波结构实现L波段返波振荡器的微波输出,可以大大减小微波器件的径向尺寸。这是因为同轴慢波结构的TM01模式有类似于TEM的性质,没有截止频率。值得注意的是,与普通同轴结构TEM波不同,同轴慢波结构TM01模式的纵向电场不为零,这是同轴返波振荡器中的电子束能够与它有强相互作用的重要原因。为了验证理论分析的正确性,我们采用粒子模拟软件KARAT的2.5D全电磁模型模拟分析了L波段同轴相对论返波振荡器的非线性作用机理,分别从电子群聚、微波的产生、微波的输出等三个方面进行了模拟分析,验证了理论的正确性。为了便于器件参数的模拟优化,我们分别从结构参数、电子束参数、导引磁场等三个方面模拟分析了其对器件输出特性的影响,得到了许多有用的规律性知识。为了避免残余电子可能会从输出微波场中获得能量,造成输出能量的损失,器件效率低下,我们在原来模型的基础之上,引入了收集极。物理图象分析与模拟研究均表明,收集极的引入,