正交场放大器是一种利用电子在互相垂直的电场和磁场中运动并同微波场交换能量来放大信号的真空电子器件,在磁控管的基础上发展而来,具有体积小、工作电压低、相位稳定、高效率,频带宽等优点。正交场放大器产品应用数量很大,广泛应用在目标搜索、跟踪等雷达系统中,在众多微波管中有不可替代的地位。本文主要对S波段正交场放大器进行基础理论研究和仿真研究,理论研究主要包括正交场放大器中的电子在静态场和高频场中的运动、慢波结构的色散特性和耦合阻抗。进行仿真研究时,为了验证结果的正确性,使用不同软件对正交场放大器的慢波结构、输入输出结构以及整管进行建模仿真分析。仿真研究首先是对慢波结构进行确定,选取短管支撑曲折线作为慢波结构,为了使慢波结构满足设计要求,对慢波结构的色散特性和耦合阻抗进行分析,研究慢波结构中的尺寸参数对高频特性的影响。其次是对传输特性进行分析,先使用CST软件建立模型,选取简单的同轴结构作为输入输出结构,调整输入输出结构与慢波结构间的连接以达到良好的耦合,最终使得驻波比小于1.65,传输效果良好。为验证准确性,再使用CHIPIC软件对整管结构进行冷态仿真,从输入和输出功率图可看出信号传输效果良好。通过两种软件对冷态的仿真,确定了模型建立及网格划分的正确性,为热态分析奠定基础。在冷态仿真成功的基础上采用CHIPIC和CST电磁仿真软件对S波段正交场放大器进行粒子模拟研究。首先进行整体模型的建立,对阴阳极间距和端帽进行了分析和优化;其次研究在零输入信号下的状态,没有信号输入时会有噪声的产生,当有适当信号输入时可以有效的抑制噪声;最后使用两种电磁仿真软件对整个正交场放大器进行粒子模拟研究。CHIPIC仿真软件结果表明在工作电压18.3kV、磁场强度为0.175T时,在2.66-2.95GHz频带内增益达到13dB以上,频谱纯净,在2.83GHz频点输出功率达到最大,增益为14.2dB,电子效率为60%。CST仿真结果显示:相同的工作条件下在2.66-2.95GHz的频带内增益大于13dB,在频点2.83GHz时输出功率最大,增益为14.9dB,电子效率为62%,信噪比大于40dB,满足制管的要求。