微波能量倍增器是一种可以将脉冲时间长、脉冲功率低的微波脉冲,“压缩”为脉冲时间短、峰值功率高的无源微波装置。鉴于能量倍增器造价低、效率高,其在高功率微波设备上受到了广泛的关注和应用。特别是在自由电子激光装置和直线对撞机上,由于自由电子激光装置和对撞机造价昂贵,人们更加追求在有限的建设规模下获得最好的光源和对撞性能。这种要求使得现如今的高功率自由电子激光装置和对撞机向着更紧凑化和更高效率的方向发展。上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)建设于上海光源园区内,受园区大小的限制,SXFEL需要在不到300 m的长度内将电子束团加速升能到840MeV,这对加速管的加速梯度提出了非常高的要求。然而目前的功率源水平无法满足加速管运行加速梯度的要求,因此必须使用能量倍增器来倍增加速管的输入功率。本论文详细论述了C波段球形能量倍增器的设计和研究工作。首先通过对各个能量倍增方案细致的调研,分析了各方案的优缺点,并确定了球形能量倍增器的参数和方案。在方案确定之后,先是对球形谐振腔的理论做了系统的阐述,并介绍了能量倍增器的工作参数,之后在理论的支持下,利用三维电磁场仿真软件,完成了C波段球形能量倍增器的微波设计和模拟。然后通过精密加工技术,完成了实验模型的加工,并对实验模型进行了各项微波参数的测量。由于设计的最终目的是能够在高功率水平的微波装置上运行,本论文还介绍了此台球形能量倍增器在低功率水平和高功率水平下的测试结果,同时也介绍了测试平台的搭建。在为SXFEL设计和研制C波段球形能量倍增器之外,本论文还介绍了为紧凑型直线对撞机CLIC设计的一台X波段的新型球形能量倍增器,该能量倍增器同样使用了球形的储能腔,但利用了BOC腔中“Whispering Gallery”模式的简并模来储能,可以使耦合器的场不会过于集中,降低结构“打火”的概率。另外,论文还介绍了几台为SXFEL设计的其他能量倍增器,包括X波段球形能量倍增器、X波段和S波段SLED等。除了能量倍增器的设计之外,本论文还介绍了几种新的微波结构的设计,如可调功分器和移相器等。这些设计采用了新型的极化器工作方式,减小了装置体积,丰富了微波结构的种类,并进一步拓宽了微波结构的应用场景。