基于超辐射机理的亚纳秒毫米波微波器件是近几年发展起来的一种新型微波器件，其辐射功率与参与束波互作用的电子束密度的平方成正比关系。通过理论研究，能较深刻的解释其发生的条件和物理意义并对实验有一定的指导作用。本文主要围绕周期慢波结构中亚纳秒电子束与波相互作用及演化过程，理论及数值模拟两方面对超辐射机理做了初步研究。 首先简述了高功率微波器件的发展历程和切伦柯夫超辐射机理，比较详细介绍了国内外在这一领域的研究状况。 本论文采用自洽非线性理论，理论分析了相对论返波振荡器中注波互作用及亚纳秒电子束与波在微波器件中随时间的演变过程。推导出产生超辐射机理的基本条件，并得到了微波辐射功率的解析表达式。 采用PIC方法，通过数值模拟优化设计了超辐射状态下的8毫米相对论返波振荡器，分析了引导磁场、二极管电压、电子束流、电子束半径、周期慢波结构等对器件的辐射功率及辐射效率的影响。研究表明，这些参数均有其取值范围（超出这一范围，器件即不能稳定运行）以及最佳值（对应最大辐射效率）。经优化设计，本文给出了一个相对论亚纳秒毫米波返波振荡器的物理模型，在引导磁场为1.8T、二极管电压为250kV、阻抗为150Ω的情况下得到了超辐射状态下输出微波峰值功率为100MW、中心频率为38GHz、模式为TM₀₁模的微波辐射。