相对论返波管（RBWO）具有高功率、高效率、最适合重复频率运行等特点,是目前最具竞争力和发展潜力的高功率微波器件之一,在国防和民用领域具有广泛应用前景。RBWO的重复频率运行需要较强的导引磁场,导引磁场是限制装置小型化、重频运行的重要因素,且直接影响微波输出功率和效率,对导引磁场系统进行深入研究对推动重复频率高功率微波技术向实用化方向发展有着极为重要的意义。RBWO的重复运行可以有效提高微波输出平均功率,重复运行频率的提高和脉冲工作次数的增加受限于导引磁场系统磁体的热效应和电源功率等因素。本文针对RBWO的应用需求对重频脉冲导引磁场系统进行了优化设计。由于系统需要较高的重复工作频率,本文设计了一种带能量回馈的放电拓扑,提高了电源的能量利用率,减少每次放电需补充的能量,从而提高系统重复工作频率。重频脉冲导引磁场的电源系统和磁体系统在工作时,存在电磁、热、力等多个物理场间的耦合关系,磁体温升会导致电阻发生变化,在重复工作过程中由于磁体参数的改变,电源和磁体需要不断进行耦合迭代计算,这对设计提出了较高的要求。本文针对电源系统、磁体系统的基本特性分别进行数学建模,并在MATLAB中建立重复运行过程的迭代计算模型。为提高系统重复频率、增加脉冲工作次数,以磁体高h、磁体外径a₂、电容器大小C为设计变量,以磁体应力、电源功率、磁场强度为约束条件,将最大重复工作频率和磁体温度T作为优化设计目标,在MATLAB中以基于后决策Pareto前沿的多目标遗传算法对电源和磁体进行联合优化设计,为RBWO重频脉冲导引磁场系统提供了优化设计方法,在优化磁体温升的同时为RBWO提供更高的重复工作频率,并增加连续工作脉冲次数,缩短两次重复工作间的间隔。在上述优化设计基础上,本文对储能电容器充电模块电路及控制系统进行软硬件电路设计。为了验证本文所提出的RBWO重频脉冲导引磁场系统优化设计方法的可行性,本文根据优化设计结果在MATLAB及有限元分析软件COMSOL中进行仿真计算,绕制了产生导引磁场的磁体并搭建充放电硬件电路试验装置进行实验,最终实现了场强3 T、重复频率20 Hz的重频脉冲强磁场。通过对仿真计算和实验结果的分析,验证了本文理论分析与优化设计方案的有效性和可行性。