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

來(lái)源：CST仿真專(zhuān)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，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?yàn)殡姶挪ㄔ诼菪車(chē)囊苿?dòng)降低了波沿著真空管軸線(xiàn)移動(dòng)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(hào)波放大。話(huà)說(shuō)CST的前身MAFIA就是專(zhuān)業(yè)計(jì)算行波管的，絕對(duì)老本行。

對(duì)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(jì)方法，也稱(chēng)冷設(shè)計(jì)(Cold Test)。多個(gè)慢波結(jié)構(gòu)周期性連接形成行波管后，用時(shí)域T-solver分析不同耦合端口之間的時(shí)域信號(hào)傳輸，也算冷設(shè)計(jì)的一部分。對(duì)應(yīng)的熱設(shè)計(jì)(Hot Test)，則是行波管加上粒子源和功放之后的仿真設(shè)計(jì)，需要靜磁場(chǎng)Ms-solver和高頻自洽PIC-solver來(lái)算粒子和場(chǎng)的互動(dòng)，我們接下來(lái)在“行波管TWT仿真（下）自洽互作用熱設(shè)計(jì)”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(kāi)始，重新建模學(xué)習(xí)這個(gè)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(huà)中心螺旋

先畫(huà)一個(gè)功能性方塊，厚度和寬度對(duì)應(yīng)中心螺旋線(xiàn)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(diǎn)In plane將該邊沿-X移動(dòng)一段距離，該距離就是螺旋線(xiàn)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(xiàn)圈的高度，材料PEC。

Step 2. 畫(huà)夾持桿

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

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

Step 3. 畫(huà)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(yùn)算。

然后畫(huà)和剛才圓柱同等大小實(shí)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?qǐng)A柱中。

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

Step 4. E-solver設(shè)置

邊界周?chē)际请娺吔纾琙上下為周期邊界，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(gè)macro->Solver->E-solver->DefineSlow Wave userdefined Watch，參數(shù)掃描時(shí)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(hù)還可點(diǎn)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(xiàn)是針對(duì)光速歸一化的：

所有可以看到波在這個(gè)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(jì)也是通過(guò)調(diào)整螺線(xiàn)的結(jié)構(gòu)來(lái)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(huì)再寫(xiě)。

另外關(guān)于時(shí)域T-solver在冷設(shè)計(jì)過(guò)程中也被廣大客戶(hù)所用，簡(jiǎn)單說(shuō)就是在行波管中的時(shí)域信號(hào)傳播位置、時(shí)間、大小、波形等等。對(duì)于CST的T-solver非常輕松，這里我們就先跳過(guò)。

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