传统的真空电子器件普遍采用热阴极作为电子发射材料,但是热阴极本身也存在一些不可忽视的缺点,而以碳纳米管作为冷阴极发射材料具有可室温工作、启动快、发射电流密度大、可直接产生调制电流等优点。因此将碳纳米管应用到行波管中以实现器件的小型化、快启动具有极大的研究价值和应用前景。目前基于碳纳米管冷阴极行波管的主要工作仍集中于对电子枪的电子光学设计研究或一些直流下的整管仿真计算,将实际冷阴极电子枪的发射情况应用到行波管里进行的研究还不够充分,目前也未有实用化的碳纳米管冷阴极行波管器件的报道。本文结合课题组前期的工作,开展了对碳纳米管冷阴极行波管的仿真研究,主要的内容为:1.根据实际中使用的碳纳米管冷阴极电子枪的发射电流特点对18.2GHz行波管注波互作用结构的关键部件进行了电子光学的设计和优化。慢波结构采用T形夹持杆加持的螺旋线慢波结构,输能结构采用同轴型,并通过采取对慢波系统切断和设置集中衰减器的方法来抑制行波管的自激振荡。利用CST软件分别对各个部件的结构参数进行了优化,并在所确定各关键部件的基础上对整个注波互作用系统的传输特性进行仿真和优化。最后得到在中心频点18.2GHz下,互作用结构的驻波系数最优为1.55,基本符合设计需要。2.整管的仿真研究。确定注波互作用的主要参量,即工作电压和聚焦磁场。之后通过CST的粒子工作室建立了包括电子发射面、输入输出结构、螺旋线慢波结构等结构的整管模型,进行PIC仿真计算,结果表明,在输入频率为18.2GHz的情况下,输出信号幅值放大了17dB且输出信号频谱比较纯净。3.预调制电子枪的电子光学设计研究。在场发射理论的基础上,利用工作于TM010模式下的重入式谐振腔结构可以产生较强纵向电场的特点设计了预调制电子枪,并利用电场耦合的方式对谐振腔进行激励。之后经过优化,得到阴极表面电场强度的幅值最大为6×105V/m。在此基础上,利用CST软件对碳纳米管冷阴极预调制电子枪的发射情况进行PIC模拟,在静电场强度分别为5V∕μm、6V∕μm和7V∕μm的情况下,分别得到了平均电流为2.2×10-3A、2.4×10-3A、2.5×10-3A的调制电流。同时研究了输入信号频率变化对预调制电子枪调制深度的影响,当频率偏离谐振频点后,调制深度迅速下降。最后将使用调制电流和使用直流的互作用结果进行对比,结果发现使用调制电流的输出功率是未使用调制电流的1.4倍。