超构材料作为一种具有特殊电磁特性的人工结构,具有与常规材料不同的奇特性质,比如负折射率、反向多普勒效应、反向切伦科夫幅值异常光压特性等。自超构材料诞生以来,就引发了国防、信息技术、通信等技术重大技术变革,许多新的技术依托于超构材料的诞生而实现,电真空器件也从超构材料中挖掘出新的潜能。现有的基于超构材料的电真空器件虽有高功率、高效率等诸多优点,但体积大,工作电压高等特点也制约着微波电真空器件的发展和量产。本论文的工作就是对大体积、高电压的超构材料返波振荡器进行优化,降低工作电压,减小器件尺寸,且保证其具有较高的输出功率和电子效率。本文的工作有以下几点:1.通过CST仿真软件仿真了某种结构单元的传输特性,并通过参数提取的方法对结构单元的本构参数进行提取,从而这种结构所具备的负的介电常数被我们验证。为了让结构具有负的磁导率,把它与金属空波导结合,使得整体构成的结构具有双负特性,从而从理论上验证了这种结构符合超构材料的定义。2.以这种超构材料为基础设计了一种慢波结构,并对它的高频特性进行了模拟仿真。仿真结果表明此慢波结构可以传输返波,符合返波振荡器的工作原理,同时它具有较高的耦合阻抗,具备注-波互作用的能力。3.优化慢波结构的周期个数和长度,采用均匀周期的方式排列超构材料。并以此为基础,设计了一只工作在S波段的返波振荡器。为了将信号成功馈出,我们把它的输出结构设计为同轴电耦合探针。此返波振荡器的长度只有115 mm,与传统的耦合腔返波振荡器相比,它的小型化优势比较明显。我们对其进行了传输特性的仿真计算和实验验证以及注-波互作用的模拟计算,计算结果显示信号的频率稳定在2.214 GHz,符合S波段器件的要求。同时,输出功率最高可以达到18 kW,通过计算可以知道,其效率大约为28.9%,比起常规返波振荡器有了较大的提高。4.采用相速跳变技术优化慢波结构的周期个数和长度。以此慢波结构为基础,设计了一只工作在S波段的返波振荡器。为了提高电磁波与电子注的耦合强度,此振荡器的输出信号通过同轴磁耦合环进行耦合输出。对其进行了传输特性的仿真计算和实验验证以及注-波互作用的模拟计算。结果显示,其峰值功率达到了26 kW,电子效率达到了29.4%。虽然体积略微增大,但输出功率和电子效率得到了提升。