行波管广泛应用于雷达、通讯、广播、电子战、高功率微波武器研究、高能物理、电子对抗等各种电子设备中,是一种非常重要的微波器件。在行波管中,电子交给高频场动能,而电子注与行波场的相互作用又要求维持同步条件,因而电子的效率比较低。采用多级降压收集极,收集“工作完了”电子的能量,可以提高装置的总的效率、节约能源。尤其是在一些高功率系统中,总体功率的消耗是首要的问题,如空间卫星通讯、移动通讯等系统。使用多级降压收集极的一个附带优点是减少了高功率器件的冷却装置。具有高收集效率的多级降压收集极的研究开发在国际上受到了高度的关注。传统上开发多级降压收集极主要凭经验,存在周期长、花费大等问题。采用CAD技术可以缩短研制周期、减少节约经费等特点。在国外,降压收集极CAD技术已称为开发收集极的重要工具。而国内在这方面尚有不足。本文首先介绍了收集极和收集极CAD的发展历程,然后讨论了多级降压收集极的工作原理和电子在收集极内运动的物理过程和数学模型,推导了电子运动方程。利用数值计算的方法求解了收集极内的电场、磁场、空间电荷效应、电子运动方程等。在此基础上,编制了多级降压收集极CAD软件Collector4。该软件中,采用有限差分法求解泊松方程,松弛法计算静电场电位分布,龙格-库塔法求解电子运动轨迹方程。利用追踪电子运动轨迹求解各电极上的电流和返回电流。该软件适用于模拟采用圆柱坐标、旋转对称结构的收集极。可用来计算静电场的分布,注入电子的运动轨迹,注入电子与收集电极碰撞产生的二次电子的轨迹等。最后用对话框给出多级降压收集极的效率。此外,软件有友好的交互界面,易学易用。在相同的输入条件下,Collector4 软件和ORION 程序分别对六个收集极进行了试算,然后对计算结果(包括电子轨迹图形,每一电极上的电流,收集极效率等参数)进行了对比。结果表明Collector4具有比较准确的计算性能。