作为宽频带的毫米波和太赫兹辐射源放大器,行波管受到了广泛的研究。阴极和慢波结构的性能在行波管的研究中发挥着重要作用。与热阴极相比,场致发射冷阴极有很多优点,比如快速启动、室温工作、体积很小、成本低等。本文针对毫米波器件小型化的发展需求,对一种新型纳米冷阴极耦合腔行波管开展理论研究,主要工作包括:1.开展一种新型冷阴极电子枪的仿真与研究。结合纳米冷阴极电子枪的工作特点,本文重点研究了一种新型的冷阴极电子枪结构。通过分析电子枪不同结构尺寸与发射性能的影响关系,并不断优化关键尺寸,最终得到满足需求的电子枪结构及电子注轨迹。仿真结果表明,电子注为环形电子注,外半径为1.2mm,内半径为1.0mm,发射电流可达到146m A。2.对多孔耦合腔慢波结构高频互作用系统进行设计研究。主要工作包括慢波结构的设计和输入输出结构的设计。第一步,通过研究不同耦合孔分布的慢波结构性能,确定了本文所研究慢波结构为均匀分布的三耦合孔对称结构,且其电子注通道为大通道。随后,结合慢波结构的高频特性,运用CST进行建模,分析优化不同结构尺寸对高频特性的影响,采用控制变量法对关键结构尺寸进行扫参,确定了最优尺寸。第二步,基于多孔耦合腔慢波结构的设计工作,输入输出结构采用阶梯过渡波导的结构,其可以实现与慢波结构较好的匹配。在33-34.4GHz的工作频段范围内,高频系统的S11参数基本上都在-20d B以下;在工作频点左右,S11参数的值小于-25d B。3.开展冷阴极行波管的注波互作用仿真研究。结合新型冷阴极电子枪、高频系统和收集极,建立整管模型,对行波管开展热腔仿真。仿真结果表明,当冷阴极行波管的发射电压为28k V,发射电流为146m A时,行波管的输出功率在33.4GHz时可达153W,增益可达25d B,3d B带宽约为0.6GHz,满足冷阴极行波管的设计要求。