- 文献综述（或调研报告）：
行波管（traveling wave tube）是利用了电子注和电磁波的相互作用实现传输信号的放大的真空电子器件。其具有输出功率高，工作带宽大，增益大，可多模工作等优势，在固态器件迅速发展的当下，行波管在国防领域仍然有不可替代的作用。而热阴极作为电子发射源十分常用，却存在着一些不可忽视的缺点，例如工作环境温度要求高，对高频系统也提出了很高的要求，且功耗大、效率低。因此场致发射冷阴极在真空电子器件的未来发展中占据了重要地位。
目前常见的场致发射冷阴极有金属微尖阵列阴极（Spindt型阴极）和碳纳米管（CNT）阴极。阴极形状有平面阴极和曲面阴极结构，相应的栅网也有平面和曲面。平面阴极易于制备，而曲面阴极对电子注有一定的预聚焦功能。由于电子间相互作用，电子注呈发散状，（易于打到管壁上），需要聚焦极和聚焦系统共同作用维持形状。
1968年C.A.Spindt发明了金属微尖阵列阴极。在其栅极上加几百伏电压即可在发射表面产生107V/cm数量级的电场强度，具有较高的发射效率。[1]然而为保证微尖端阵列的均匀性和一致性，需要较高水平的加工技术，导致制作成本偏高。
1997年，H.Makishima等基于Spindt型阴极制造了X波段行波管，较之传统的采用热阴极的行波管。其使用的Spindt型阴极可以产生58mA以上的稳定电流以及10A/cm2的电流密度。该X波段行波管表现出了优秀的射频性能，信号频率为10.5GHz时，信号输出功率达到了27.5W，功率增益为19.5dB，带宽宽于3GHz，电子注流通率为82%。[2]
2000年，D.R.Whaley等基于Spindt型阴极制造了C波段行波管。该行波管在工作频率为4.5 GHz时达到了55W的输出功率和23.4dB的饱和增益，效率为17%。[4] 2009年再进一步，基于低电压高跨导的场致发射阴极阵列制造了功率可达到100W的C波段冷阴极行波管。该行波管工作电压较之前下降了72％，79 V即可实现全功率运行。此时相应阴极电流为121mA，在5GHz下，行波管可以产生100W的输出功率。[5]2013年，该研究团队又在阴极可靠性上升，闪络被抑制的前提下，基于高平均功率的场致发射极研制出了X/Ku波段冷阴极行波管。理论上在工作电流为200mA时，该行波管可以达到100W的输出功率。研究者在测试中采用了50mA的工作电流，工作频率为10 GHz时获得了最大饱和功率10W，工作频率为10.6 GHz时获得了最大增益13.5 dB。[6]
1991年，S.Iijima第一次发现了碳纳米管。[7]经过后面许多研究者的探索，发现了碳纳米管优秀的力学性能和良好的导热导电性。碳纳米管场致发射阴极具有开启电压低、电流密度高等优点。因此基于碳纳米管冷阴极电子枪的行波管具有良好的应用前景。
为了满足注波互作用的需求，行波管中的电子注有一定的电流密度要求。直接得到的电流密度过小时，需要对电子注进行压缩，使电子注电流密度达到要求。2015年，Xuesong Yuan等设计了基于碳纳米管阴极的高压缩比电子枪。[9]这种电子枪成功将电子注截面面积压缩了十倍，通过聚焦电子注，也解决了电流密度不均匀的问题。然而在实验中出现了电子注电流过低和电子通过率过低的问题。[13]
慢波结构是注波互作用发生的场所。有两种慢波结构十分常用：螺旋线慢波结构由于结构简单，易于制造，且色散特性良好可满足大带宽的需求，耦合阻抗较高等优点而受到了广泛应用。但由于返波振荡的影响，螺旋线慢波结构的电压不能过高。耦合腔慢波结构由全金属制造，散热能力强，可以满足大功率工作的需求，但其带宽较窄。除此之外还有折叠波导慢波结构，梳形慢波结构等等，新的慢波结构层出不穷。[14]2016年，Z.Yuan等在理论层面研究了基于带状注电子枪的8mm碳纳米管冷阴极行波管，并针对带状电子束的特点设计了交错双栅周期慢波结构。带状电子束较一般的圆柱状电子注器件，更易达到千瓦级输出功率，100GHz以上工作频率，相对带宽10％以上的要求。最终借助PIC粒子模拟软件计算得出：所设计的行波管在工作频率为32Hz，电子注电压为20kV，电流为100mA时，工作带宽为30.8GHz~36.8GHz，增益大小最大为32dB，输出功率可达136W，互作用效率可达13.6%。[10]
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