L波段（1-2GHz）电磁波对天气和地形不敏感,广泛用于军用、民用领域。现阶段,L波段高功率微波源普遍面临结构不够紧凑、束波转换效率较低等问题。基于超材料的慢波结构可以在相同尺寸的空心金属波导截止频率以下工作,具有小型化的优点;其高耦合阻抗特性有望提高微波源的束波转换效率。为了实现L波段高功率微波源的小型化和高效率,本文提出了一种基于超材料的L波段新型高功率微波源,并进行了相关研究。首先开展了超材料的相关理论研究,提出了谐振单元正交排列的全新超材料构造方法,并设计了一种新型全金属超材料结构。新型超材料对于圆波导TM₀₁模式电磁波,在类π模附近表现出负的等效介电常数和磁导率;基于新型超材料结构,构造了适用于环形相对论电子束工作、高功率微波源的慢波结构。计算表明,新型慢波结构能在同尺寸的空心金属波导截止频率以下工作,具有小型化优点。其次对所设计的新型超材料慢波结构进行了模式特性研究,经计算分析,发现其基模为圆波导准TM₀₁模式,场分布均匀;基模色散特性的计算结果表明其具有负色散特性,零次空间谐波为返向波;此外,基模在整个工作频段内耦合阻抗大于75Ω,耦合阻抗显著高于传统慢波结构,高转换效率潜力明显;随后,设计了矩形输出结构,并对超材料慢波结构和常规慢波结构的传输特性进行了对比分析,结果显示所设计的超材料慢波结构小型化优势明显。在高频特性分析基础上,对L波段超材料高功率微波源进行了粒子模拟研究。分析了束流传输特性,计算了空间极限电流大小,确定了电子束参数下最小约束磁场值。在束电压550 kV,束流1.5 kA,导引磁场2 T的条件下,模拟获得功率460MW,频率1.366GHz高功率微波输出,束波转换效率为55.8%。分析了器件工作机制为切伦科夫（Cerenkov）机制,工作模式为准TM₀₁模式,器件内部最大场强低于1.2MV/cm。作为超材料高功率微波源实验研究基础,设计了在电子束传输路径上能提供2T均匀磁场的螺线管线圈;为实验研究超材料慢波结构传输特性,设计了同轴TEM-矩形TE₁₀模转并加工;最后对超材料慢波结构传输特性进行了实验验证,与仿真结果在趋势上大致符合,证明了本文理论分析和仿真的正确。