早期相对论磁控管的研究主要关注其输出功率的提升,而忽略了其低效率的问题;近年来,实用性的需求使提高相对论磁控管的效率成为了磁控管研究的重心。因此,本文针对提高轴向提取相对论磁控管的效率开展了较为全面和深入的研究,包括理论分析、结构设计和粒子模拟:1.对相对论磁控管进行了介绍。讨论了常见的五种衍射输出结构。对爆炸发射阴极、阴极激励技术以及透明阴极进行了较为详细的讨论。2.开展了磁控管的基础理论分析。阐述了磁控管中电子稳态运动的过程,分析了磁控管高频结构中电子与场的相互作用,并推导了磁控管工作的截止条件和同步条件;利用电路分析法推导了相对论磁控管的色散关系,并画出了6腔谐振系统的模谱图;另外,研究了相对论磁控管中等离子体的产生及影响、轴向电流的角向磁场的影响以及强高频场的影响。3.开展了相对论磁控管的初步设计和仿真模拟。在优化磁控管工作的电参数和基本的结构参数后,针对磁控管π模起振较慢、存在模式竞争、轴向泄漏电流大而影响效率等问题开展了研究。为加快π模起振并抑制模式竞争,引入了阴极激励技术。阴极发射区域的长度和宽度,发射区域与阳极块的偏离角度以及阴极末端截止点是阴极点火的四个重要参数;论文针对这四个参数进行优化仿真,得到优化后的典型结果:发射区域长度=84 mm,发射区域宽度(2=36°、发射区域与阳极偏离角度₍（9）=12°,阴极伸出阳极长度与衍射输出结构过渡段相同,在外加电压和磁场分别为520 kV、0.3 T时获得2.19 GW的输出功率,对应转换效率为61%。为解决轴向提取相对论磁控管中泄漏电流大而影响效率的问题,引入了阴极帽结构;并利用CST和MAGIC优化了阴极帽的结构参数,优化后的典型结果:上游阴极帽距发射区域距离为50 mm,下游阴极帽距离发射区域距离为14 mm,阴极帽的半径均为23 mm,在外加电压和磁场分别为563 kV,0.34 T时,磁控管π模工作,在1.589 GHz的频率下,输出TE₃₁模,输出功率2.13 GW,对应效率达到75.5%。在优化结构的基础上比较了采用锲型提取结构、单阶梯型提取结构和梯型提取结构时磁控管效率的变化,得到结论:在本结构磁控管中,采用梯型结构能获得相对更高的功率转换效率。