CST行波管TWT仿真示例（下）- 自洽互作用熱設(shè)計(jì)

來(lái)源：CST仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-26 閱讀：

這一期我們一起看一下CST自帶案例之一，行波管（TWT，traveling wave tube）。行波管放大器增益一般在30-60dB，常用于衛(wèi)星通信和雷達(dá)。

Component Library 中搜Travelling Wave Tube模型，該模型是慢波結(jié)構(gòu)Slow Wave模型的周期結(jié)構(gòu)，我們用了49.5個(gè)周期，管大概長(zhǎng)12cm，屬于小型，增益也設(shè)計(jì)得沒(méi)有很高，只用于演示。

Step 1. 查看建模

兩端在Y方向開(kāi)了兩個(gè)波導(dǎo)端口，作為信號(hào)輸入和輸出。當(dāng)然實(shí)際設(shè)計(jì)中可以沿途增加更多的方型端口，也可以是同軸端口，用于導(dǎo)出反射波、作為耦合器、或增加級(jí)數(shù)等功能。所以我們的案例是相對(duì)簡(jiǎn)化的。

端口1這邊的管盡頭加個(gè)圓柱作為粒子源（電子槍）PEC結(jié)構(gòu)，等下我們看粒子源定義。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的粒子會(huì)在靜磁場(chǎng)的作用下，在螺旋結(jié)構(gòu)中心形成電子束。

端口2我們直接就用電邊界封口，事實(shí)上六個(gè)邊界都是電邊界，緊貼結(jié)構(gòu)。

這里計(jì)算要想精準(zhǔn)，所有結(jié)構(gòu)都建議本地加密，端口網(wǎng)格起碼要加密成這樣：

基本上到這里就可以用T-solver來(lái)做冷分析了，因?yàn)檫€沒(méi)粒子什么事。時(shí)域信號(hào)就是看端口信號(hào)，從一個(gè)波導(dǎo)端口到另一個(gè)，我們就不細(xì)說(shuō)了。當(dāng)然這部分也挺重要，相當(dāng)于是耦合器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)不好會(huì)導(dǎo)致反向波諧振。值得注意的是，TWT時(shí)域仿真不要用energy check，因?yàn)槟芰壳惑w結(jié)構(gòu)收斂比較慢。

下面是正常的時(shí)域仿真結(jié)果：

Step 2. 粒子源

接下來(lái)做熱設(shè)計(jì)，粒子終于上場(chǎng)了！

選擇圓柱內(nèi)面，然后定義Particle Circular Source就可以了。這里用的是DC發(fā)射模型，是穩(wěn)定的電流，Edit編輯里面可以電流值、上升時(shí)間、粒子動(dòng)能等。這些信息可以通過(guò)電子槍設(shè)計(jì)時(shí)用Trk-solver追蹤求解器求出（可用Particle Interfaces功能導(dǎo)入），這里我們就用默認(rèn)了。

這里我們用10mA，上升時(shí)間0.1ns；動(dòng)能分布均勻，值為0.16，也就是電子初始速度是光速的16%。這個(gè)值是為了和之前慢波結(jié)構(gòu)中E-solver求出的波的相速度相匹配，從而使電子和波的速度相近，達(dá)到強(qiáng)相互作用。

其他發(fā)射模型詳細(xì)請(qǐng)查看help：

Step 3. 磁場(chǎng)

再來(lái)看磁場(chǎng)，靜磁場(chǎng)是Source Field這里添加的。

這里我們加個(gè)Z方向的均勻B-field，0.5T，實(shí)際行波管的磁場(chǎng)可以是來(lái)自管中部放置的空心同軸圓柱磁鐵，這里我們就用理想磁場(chǎng)替代。等下仿真之后這個(gè)均勻的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布就能看到。

Step 4. 輸入信號(hào)

行波管的輸入射頻信號(hào)設(shè)置比較特別，由于我們沒(méi)有實(shí)際需要放大的信號(hào)，這里就用sinestep正弦階梯信號(hào)做演示。頻率5.855GHz是我們的載波頻率，也對(duì)應(yīng)之前慢波結(jié)構(gòu)相速度0.16.

生成的信號(hào)是振幅為1的信號(hào)，還不是輸入信號(hào)。輸入信號(hào)要用這個(gè)signal1乘以激勵(lì)功率。

這里還有個(gè)Chirp rate選項(xiàng)可以用來(lái)設(shè)置啁啾信號(hào)，就是頻率隨時(shí)間改變，跟鳥(niǎo)叫似的。不用這個(gè)就是單頻點(diǎn)結(jié)果，用了就是寬頻的結(jié)果。當(dāng)然這里是指后處理時(shí)傅里葉變換不考慮一開(kāi)始的上升信號(hào)，只看穩(wěn)態(tài)的話。

Step 5. PIC求解器

PIC 是Particle-In-Cell，是自洽的時(shí)域電磁場(chǎng)和粒子在全波段互作用計(jì)算的高級(jí)求解器。這里定義輸入信號(hào)的功率，也就0.05W平均功率，0.1W的峰值功率。推薦將該功率值參數(shù)化，可以方便過(guò)后參數(shù)化掃描仿真，然后可以拿到放大器基本的輸出輸入功率曲線，這里我們就不做了，等下直接上個(gè)圖。

到這里基本就是準(zhǔn)備好仿真了，當(dāng)然還可以加一些監(jiān)視器，就留給同學(xué)自己探索吧。這里要注意的是，行波管仿真通常時(shí)間很長(zhǎng)，用了GPU加速卡則時(shí)間大幅縮減，這是也是CST的優(yōu)勢(shì)之一。一起看下結(jié)果，1DResult有各種數(shù)據(jù)：

重點(diǎn)1: 看輸入信號(hào)和輸出信號(hào)穩(wěn)態(tài)時(shí)的放大效果：

量一下穩(wěn)態(tài)的峰值，然后用后處理20log()就可以算出增益了。不是10log()哦，因?yàn)檫@個(gè)單位是根號(hào)瓦。

重點(diǎn)2：粒子的的速度調(diào)制情況，粒子傳播和束化的三維動(dòng)圖：

下圖是一幀的相位空間曲線，可以看出粒子不同位置時(shí)的能量，總體能量是下降的（震蕩越來(lái)越強(qiáng)不容易看出），因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換去射頻信號(hào)。當(dāng)增益設(shè)計(jì)的大一些的時(shí)候，我們就可以清晰地看到這個(gè)曲線是震蕩式地下跌。

重點(diǎn)3：最后看一張客戶用TWT參數(shù)掃描畫(huà)出的增益曲線和寬頻輸出功率曲線（不同模型），寬頻結(jié)果之前的Chirp函數(shù)也可以拿到互相驗(yàn)證。可以看到和一般功率放大器不同，在達(dá)到飽和點(diǎn)之后，TWT的增益是會(huì)下降的。