相对论速调管放大器（Relativistic Klystron Amplifier， RKA）具有高输出功率、高增益及频率相位可控等特性，是目前高功率微波相干功率合成研究领域中的热点器件之一。针对目前RKA研究中存在的相关问题，本文提出了具有双耦合孔输入腔、轴对称耦合孔输出腔及涂覆吸波材料漂移管的改进型S波段RKA，并对其匹配注入、输入腔和输出腔设计、杂模抑制及相位锁定等问题进行了系统深入的研究。论文的主要研究内容及结果如下：采用数值方法求解了RKA漂移管中薄环形强流电子束的动能因子。在此基础上，利用强流相对论条件下的小信号空间电荷波理论，求解得到了电子束特性对RKA群聚距离的影响规律。采用等效电路和粒子模拟相结合的方法，得到了满足匹配注入条件的输入腔电子束加载谐振频率及电子束加载品质因数；采用2.5维粒子模拟和3维粒子模拟均实现了输入腔匹配注入，为输入腔的设计奠定了基础。提出了双耦合孔输入腔。该腔耦合孔对称分布、耦合孔较小，有利于腔内场均匀分布。采用群时延法对该腔进行了冷腔分析和设计，得到了满足匹配注入条件时该输入腔的结构尺寸。对该腔进行了加工和冷测，测试结果与模拟结果符合得较好。随后的实验表明，按照设计尺寸加工的双耦合孔输入腔可以实现对注入微波的匹配吸收。提出了轴对称耦合孔输出腔。该腔具有轴对称的环形耦合孔，且耦合结构与支撑结构完全分离，外观品质因数低，不易激励杂模。采用高频场软件对该腔进行了冷腔分析和初步设计。利用三维粒子模拟优化了该腔的结构尺寸，采用与实际导引磁场分布一致的参数设置，得到了输出微波功率效率为25%的模拟结果。实验中采用该腔获得了功率约700MW、功率效率大于20%的高功率微波输出。提出了在漂移管内壁涂覆吸波材料的杂模抑制方法。采用三维粒子模拟对其进行了研究。结果表明，杂模振荡与输入腔引入的非轴对称性结构及中间腔的高阶杂模有关，其在漂移管中表现为TE11模；当漂移管内壁涂覆吸收率为30%的吸波材料时，即可抑制杂模的振荡，且不影响主模的正常工作。实验研究了吸收率为50%的涂覆吸波材料的漂移管杂模抑制效果。结果表明，在二极管电压小于500kV的范围内，采用该漂移管几乎可以完全抑制杂模。对S波段三腔RKA结构进行了系统深入的粒子模拟研究。采用2.5维粒子模拟，依次研究了输入腔、中间腔及输出腔参数对RKA工作特性的影响，给出了简化为二维的RKA系统设计方法。提出并研究了导引磁场控制电子束收集的方法，利用该方法可大幅提高RKA束波功率转换效率：经过优化，在二极管电压510kV、电流6.7kA、注入微波功率500kW、导引磁场1.5T的条件下，得到了输出微波功率1.15GW、功率效率33%、增益33.6dB的模拟结果。采用三维粒子模拟，研究得到了改进型输出腔结构参数及RKA腔间距离对输出微波功率稳定性的影响。在分段导引磁场1.3T、二极管电压500kV、束流7.4kA、注入微波功率600kW的条件下，得到了输出微波功率930MW、功率效率25%、增益32dB的模拟结果。此外，采用粒子模拟研究了加速器电压波形特征、RKA结构参数及导引磁场强度等因素对RKA锁相特性的影响，评估了影响RKA锁相特性的因素，为基于RKA的功率合成相位控制提供了参考。开展了该改进型S波段RKA的实验研究。采用大功率磁控管作为种子源，在Torch-01加速器平台上得到的典型实验结果为：当二极管电压488kV、电流5.8kA、电压脉宽50ns时，在注入微波功率720kW、频率2.84GHz的条件下，RKA辐射微波功率约300MW、频率2.84GHz，功率效率约10%、增益约26dB、脉宽约50ns，辐射微波模式为TM01模，几乎无杂模振荡，在微波脉冲前10ns内实现了锁相，锁相稳定时间大于30ns，锁定时间内相位差抖动小于±7°。当二极管电压505kV、电流6.5kA、电压脉宽50ns时，在注入微波参数不变的条件下，辐射微波功率达到700MW，主频2.84GHz，功率效率约22%，增益约30dB，脉宽约30ns，辐射主模式为TM01模，存在杂模振荡现象。分析指出了实验中杂模未被完全抑制的可能原因及其抑制措施。