高功率微波源有很多,相对论返波管就是其中之一,它具有简单的结构,在电流很低的情况下就可以起振,在同样条件下能够输出更高的功率信号,它输出的信号的带宽也很宽,由于它具有这些优势,因此相对论返波管不管在科研还是在未来的应用上都有很高的研究价值。在各国科研学者的不断努力下,相对论返波管在各个频段都已经有了很大的发展,比如X波段,Ka波段,但220GHz的相对论返波管还没有被广泛研究。本文主要研究了频段为220GHz、矩形单栅作为慢波结构的相对论返波振荡器,文章的主要内容包括以下几个方面:从研究矩形单栅慢波结构入手,对矩形单栅慢波结构的高频特性作了具体的分析,研究了单栅结构的尺寸大小对它的高频特性曲线的影响,从而进一步得出矩形单栅栅高度和单栅周期这两个参量是影响高频特性的主要因素,通过调节参量,最终确定慢波结构的尺寸。为了使得能量从输出端尽可能多地输出,又对谐振反射器的传输特性作了详细的研究,对其作了理论的分析以及几何参数的设计,通过HFSS电磁仿真软件的模拟分析,调节各个参量,使其在220GHz对波反射最大。而后对输出波导的传输特性也作了一定的研究和分析,通过调节其几何参量,使其在220GHz对波传输最大,反射最小。用三维电磁仿真软件CST模拟了注波互作用,包括电子注电压,电流、聚束磁场以及矩形单栅周期长度对返波管输出信号功率和工作频率的影响,研究了反射器各个参量对输出信号的影响,通过调节各个参数,最终使得相对论返波管在220GHz频段上输出功率为18MW的稳定信号。在前面计算仿真的基础上,通过具体实验来测量相对论返波管输出信号的输出功率和工作频率,实验中需要用到聚焦磁场来聚焦发射电子注,它是由脉冲螺线管来产生,还要用到电子注源来发射高能电子注,此电子注源是基于Tesla变压器的,它还应该具备重频强流高压的特点,最后利用示波器和量热计来捕捉输出信号,再进一步分析输出信号的功率。