在过去的几十年中,世界各国投入大量资金竞相发展固态器件,尽管它在低频范围内取代了部分中小功率微波电子管,但多年的研究进展表明,固态器件在高频大功率方面的应用受到了极大的限制。而真空微电子器件兼顾了固态器件和真空器件的优点,成为世界各国研究的热点之一。 冷阴极电子源由于其诸多的优点被认为是传统热阴极电子源的理想替代,已被应用与场致发射显示器(FED),X射线管等的研究中。近年来,随着冷阴极性能的不断提高,使其具有应用于高频器件的潜力。在高频器件的研究中,PIC(Particle-in-Cell)方法被刚来计算电磁场中带电粒子的行为特征,是现阶段计算场与粒子互作用的首选方法之一。 本文在介绍冷阴极和场致发射原理的基础上,利用PIC方法进行模拟研究工作。基于PIC方法的数值模拟软件,是目前计算高频器件中场与粒子能量耦合,冷阴极发射等的典型软件。本文详细讨论了PIC方法原理,包括场方程,粒子方程,场和粒子耦合以及它们的边界条件等。同时还对基于PIC方法的软件原理和使用做了归纳总结。 冷阴极电子源应用于微波器件,要求其具有较大的发射电流密度和良好的聚焦性能。本文通过对三种结构(二极结构,三极结构,HOP结构)冷阴极电子源进行模拟,分析讨论了它们的发射电流密度和聚焦性能。在二极结构中,尽管发射电流密度比较大,但聚焦效果很不好；三极结构中,在与二极结构阴阳极电压相同的情况下,通过调节栅极电压,可以得到比二极结构更大的发射电流密度,并且聚焦性能得到改善,但随着栅极电压的增加,电子聚焦性能变差,于是采用HOP结构来解决这个问题,HOP结构中,可以得到与三极结构相近的发射电流密度,并且在同一阳极电压下,其聚焦性能较三极结构好。 冷阴极微波三极管通过栅极电压对发射电流直接进行密度调制,在阴-栅空间,随着频率的增加,电子流密度调制效果变差,减小阴-栅距离,能够在更高频率上得剑更好的密度调制效果。在栅-阳空间,电子流出现聚束现象,并且呈周期性密度调制状态,随着频率的提高,栅-阳空间内密度调制电子流的周期数增加。