碳纳米管研究近年来十分火热,是一种性能非常优秀的新型纳米材料,同时也是一种潜力很大的新一代电子发射材料。场致发射冷阴极具有响应时间快,结构简单,体积小等优点,因此具有很高的研究价值和应用前景。使用冷阴极电子枪来替代传统的热阴极电子枪,实现电真空器件的小型化,成为了国内外学者的研究热点方向。行波管的功率高、频带宽,应用广泛,研究纳米冷阴极行波管具有十分重要的意义。基于上述背景,本论文设计研究了一种8mm碳纳米管冷阴极行波管,并展开了仿真研究,具体工作内容如下。首先对一种新型的用于行波管的碳纳米管冷阴极电子枪进行研究。对场致发射的理论进行了说明,结合理论结果与实验数据来研究了碳纳米管在场致发射方式下的性能表现。依照磁控电子枪的原理,结合行波管参数的要求,设计了一种阴极磁场均匀的磁控电子枪。首先初步确立了电子枪的结构,然后通过研究和优化电子枪的主要结构参数,最终确定了磁控电子枪的模型。仿真结果显示,电子注轨迹良好,电子枪的电流发射密度可达1.5A/cm2,发射电流可达42mA。然后研究了 8mm行波管的高频慢波结构和输入输出系统。首先确定耦合腔的结构模型,选择了双耦合孔的对称结构;研究了各种结构参数对于慢波结构的色散特性和耦合阻抗的影响;然后结合研究结论优化了慢波结构的参数,确定了行波管最终的慢波结构模型。输入输出采用阶梯过渡波导的结构,可以达到比较好的匹配,在行波管工作带宽内反射系数低于-20dB,防止了行波管自激振荡的发生。最后对纳米冷阴极行波管的整管进行粒子仿真研究和分析。对设计完成的行波管进行粒子模拟,分析了注波互作用状态,分别对行波管的输出功率、增益和带宽进行分析。仿真结果表明,当行波管的发射电压为19kV,发射电流为42mA时,冷阴极行波管的输出功率可达56W,增益可达27.5dB,带宽约为1.1GHz,满足行波管的设计要求。