CST行波管TWT仿真示例（上）- 慢波結(jié)構(gòu)的冷設(shè)計

這一期我們一起看一下CST自帶案例之一，慢波結(jié)構(gòu)（SWS, slow wave structure）。

慢波結(jié)構(gòu)是行波管（TWT，travelingwave tube）的核心，其性能將直接影響行波管放大器的整體性能。之所以叫慢波結(jié)構(gòu)，是因為電磁波在螺旋周圍的移動降低了波沿著真空管軸線移動的速度，結(jié)果與慢速粒子的速度相接近，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的相互作用，從電子束中吸收能量并將信號波放大。話說CST的前身MAFIA就是專業(yè)計算行波管的，絕對老本行。

對慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維本征模E-solver分析色散圖是最有效設(shè)計方法，也稱冷設(shè)計(Cold Test)。多個慢波結(jié)構(gòu)周期性連接形成行波管后，用時域T-solver分析不同耦合端口之間的時域信號傳輸，也算冷設(shè)計的一部分。對應(yīng)的熱設(shè)計(Hot Test)，則是行波管加上粒子源和功放之后的仿真設(shè)計，需要靜磁場Ms-solver和高頻自洽PIC-solver來算粒子和場的互動，我們接下來在“行波管TWT仿真（下）自洽互作用熱設(shè)計”再談。

Component Library 中搜Slow Wave模型。直接看模型不容易理解，這里我們從零開始，重新建模學(xué)習(xí)這個螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋結(jié)構(gòu)的TWT普遍又經(jīng)典，當(dāng)然市面上也有很多其他結(jié)構(gòu)，比如蛇形鏈接的平行環(huán)等。

使用模板：

Step 1. 畫中心螺旋

先畫一個功能性方塊，厚度和寬度對應(yīng)中心螺旋線的厚度和寬度，然后選其截面和一邊。

在Pick Lists 里選擇已選的邊，然后點In plane將該邊沿-X移動一段距離，該距離就是螺旋線圈的半徑。

然后用Rotate face功能，角度放720度，高度可以參數(shù)化，就是螺旋線圈的高度，材料PEC。

Step 2. 畫夾持桿

刪除功能性的方塊，再畫一個同軸空心圓柱包裹住螺旋線，材料為介質(zhì)APBN, epsilon=5.12。APBN全稱為Anisotropic Pyrolitic Deposited Boron Nitride，各向異性熱解沉積氮化硼。

再畫方塊夾持桿，布爾運算求出與圓柱的重疊部分，再旋轉(zhuǎn)60度兩次。

Step 3. 畫外殼和真空填充

用大的PEC方塊先包住所有結(jié)構(gòu)，不做任何布爾運算。

然后畫和剛才圓柱同等大小實心圓柱，材料為真空，Insert插入到PEC方塊中。

支撐材料APBN也insert插入到真空圓柱中。

最后切割出一個周期就可以了，整個過程只需幾分鐘，CST建模行波管的速度可謂是一大優(yōu)勢。

Step 4. E-solver設(shè)置

邊界周圍都是電邊界，Z上下為周期邊界，參數(shù)“phase”控制Z方向的掃描角。這里建議真空區(qū)域要本地加密。頻率范圍0-10GHz。

然后推薦跑個macro->Solver->E-solver->DefineSlow Wave userdefined Watch，參數(shù)掃描時就能提取更多慢性結(jié)構(gòu)的KPI結(jié)果，比如相速度，耦合阻抗等等。用戶還可點Edit修改或添加SWS相關(guān)的KPI。

求解器用Tet四面體網(wǎng)格：

Step 5. 仿真結(jié)果

相速度曲線是針對光速歸一化的：

所有可以看到波在這個慢波結(jié)構(gòu)中的傳播速度比光速慢了五六倍。在一定帶寬內(nèi)，相速度也不是恒定的。

耦合阻抗結(jié)果如下，和空間諧波、增益都有關(guān)系。

根據(jù)得到的這些結(jié)果，結(jié)合粒子源的電路特性，就可以分析出，比如哪些頻率是正向波或反向波，行波管是同步模式還是異步模式，能不能從離子中獲取能量用于功放等等。很多設(shè)計也是通過調(diào)整螺線的結(jié)構(gòu)來調(diào)整相速度，為了更好的和可用的電子速度匹配，提高功放效率。

關(guān)于軸方向的高階空間諧波，我們有相關(guān)后處理模板方法獲得，可前往達(dá)索網(wǎng)站：https://support.3ds.com/knowledge-base/

搜索“ObtainingCold-Test Parameters for a Helical Slow-Wave Structure Using CST”或“QA00000064048”，下載相關(guān)資料。或我們以后有機(jī)會再寫。

另外關(guān)于時域T-solver在冷設(shè)計過程中也被廣大客戶所用，簡單說就是在行波管中的時域信號傳播位置、時間、大小、波形等等。對于CST的T-solver非常輕松，這里我們就先跳過。

最后看一下行波管TWT的完整設(shè)計流程，這些都可以在CST一個界面完成：

第一步，粒子源仿真，我們之前寫過一個簡單的電子槍案例，可參考：CST仿真實例-粒子槍仿真和Track Solver追蹤求解

第二步，慢波結(jié)構(gòu)仿真，就是這篇SWS用本征模做冷設(shè)計分析。

第三步，輸出信號仿真，也就是PIC-solver做功放的熱設(shè)計分析。

第四步，接收器電磁仿真，接收粒子，二次倍增等。

第五步，接收器熱仿真。