高功率微波(HPM)器件受到理论、工作稳定性、小型化需求和脉冲功率源的约束,实现单支更高峰值功率非常困难,限制了高功率微波器件的进一步推广和应用。基于多支高功率微波源的相干功率合成技术是一种有效提高输出微波峰值功率的技术路线。强流相对论速调管放大器(RKA)具备输出功率高、能量转换效率高、工作稳定性高等优势,被认为是用于HPM功率合成的首选器件。但是该器件在高峰值、长脉冲微波输出条件下相位稳定性不高,严重影响了多路功率合成的效率。论文基于课题组研制的S波段强流RKA,通过理论分析、PIC模拟仿真和实验等方式对其输出微波相位特性进行了研究,确定了影响输出微波相位稳定性的关键因素,提出了提高相位稳定性的措施,并在S波段RKA实验中得到了相位稳定的输出微波。论文首先从RKA空间电荷波理论出发,建立了一套用于分析轴对称RKA输出微波相位特性的一维自洽非线性理论,该理论在考虑空间电荷效应的基础上,增加了对束流传输和群聚过程中高次非线性项的考虑,实现了在强流、强相对论条件下对RKA输出微波相位特性的计算,同时结合项目组研制的S波段三腔强流环形电子束RKA进行了整管的理论推导,得到了整管的调制电流及输出微波等参数的表达式,并通过试验认可的模拟结果对理论计算结果进行了验证,得到结果显示理论和模拟结果输出微波相位趋势一致,误差小于10%。在此理论的基础上,论文研究了电子束特性、入射微波参数及器件腔体参数等对输出微波相位特性的影响,确定了驱动RKA的强流脉冲电压稳定性、器件内的腔体自激振荡和束流发射传输稳定性是引起RKA输出微波相位波动的主要因素,并重点针对脉冲前沿能量变化及其在腔体间隙激励的杂频、强流脉冲特性引起的电子速度梯度导致的器件实际工作频率偏移进行了理论和数值计算,得到了在不同脉冲前沿及波动条件下输出微波频率的偏移及其相位变化,并开展了粒子模拟验证,提出了提高强流RKA输出相位稳定性的改进方案,为进一步实现对强流RKA相位稳定性控制、锁频锁相的稳定微波输出提供了理论指导。之后,论文结合理论分析和PIC模拟研究中的结果,针对课题组研制的S波段强流RKA输出微波相位抖动大的问题,在原有设计基础上,从三个方面对设计开展了优化:(1)束流发射和传输方面:通过研究阴极表面场强分布以及束流传输品质,优化了二极管结构及磁场位型,建立了标准的二极管安装流程,提高了阴极、磁场、器件三者的同轴一致性;(2)抑制器件内杂频方面:通过对器件内杂频振荡的产生机理进行分析,在腔体间隙内增加吸波材料,降低腔体之间的互作用因子,破坏腔体之间的同步关系,减小了器件内非工作模式的传输;(3)强流脉冲特性对相位稳定性影响方面:在保证大于GW量级输出微波功率的前提下,对器件腔体的本征频率和Q值进行优化,减小了由强流脉冲波动导致的输出微波相位波动30%以上。最后对优化后的器件开展了相关实验研究。实验结果表明,对器件优化设计后,强流脉冲波动导致的输出微波相位抖动问题得到了抑制,实现了输出微波峰值功率GW量级条件下,单支RKA单次运行输出微波脉宽100ns内的相位标准差约18.0°;重频运行(25Hz/1s)100ns内相位抖动标准差约为18.2°的理想结果。并且两支RKA相位一致性较好,在分别使用脉冲源驱动的条件下,两者间的输出微波脉宽100ns内相位差抖动标准差约为19.8°。同时开展了单支及多支RKA输出微波相位控制实验,通过调节相位控制单元,在输出微波稳定的条件下,分别实现了单支RKA输出相位调节精度6.6°和两支RKA输出相位调节精度12.0°。上述实验和优化结果满足了实际应用的需求。