2026/3/28 22:51:29
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Component Library 中搜Travelling Wave Tube模型#xff0c;该模型是慢波结构Slow…这一期我们一起看一下CST自带案例之一行波管TWTtraveling wave tube。行波管放大器增益一般在30-60dB常用于卫星通信和雷达。Component Library 中搜Travelling Wave Tube模型该模型是慢波结构Slow Wave模型的周期结构我们用了49.5个周期管大概长12cm属于小型增益也设计得没有很高只用于演示。Step 1. 查看建模两端在Y方向开了两个波导端口作为信号输入和输出。当然实际设计中可以沿途增加更多的方型端口也可以是同轴端口用于导出反射波、作为耦合器、或增加级数等功能。所以我们的案例是相对简化的。端口1这边的管尽头加个圆柱作为粒子源电子枪PEC结构等下我们看粒子源定义。该结构产生的粒子会在静磁场的作用下在螺旋结构中心形成电子束。端口2我们直接就用电边界封口事实上六个边界都是电边界紧贴结构。这里计算要想精准所有结构都建议本地加密端口网格起码要加密成这样基本上到这里就可以用T-solver来做冷分析了因为还没粒子什么事。时域信号就是看端口信号从一个波导端口到另一个我们就不细说了。当然这部分也挺重要相当于是耦合器设计设计不好会导致反向波谐振。值得注意的是TWT时域仿真不要用energy check因为能量腔体结构收敛比较慢。下面是正常的时域仿真结果Step 2. 粒子源接下来做热设计粒子终于上场了当当当当~自行配音。选择圆柱内面然后定义Particle Circular Source就可以了。这里用的是DC发射模型是稳定的电流Edit编辑里面可以电流值、上升时间、粒子动能等。这些信息可以通过电子枪设计时用Trk-solver追踪求解器求出可用Particle Interfaces功能导入这里我们就用默认了。这里我们用10mA上升时间0.1ns动能分布均匀值为0.16也就是电子初始速度是光速的16%。这个值是为了和之前慢波结构中E-solver求出的波的相速度相匹配从而使电子和波的速度相近达到强相互作用。其他发射模型详细请查看helpStep 3. 磁场再来看磁场静磁场是Source Field这里添加的。这里我们加个Z方向的均匀B-field0.5T实际行波管的磁场可以是来自管中部放置的空心同轴圆柱磁铁这里我们就用理想磁场替代。等下仿真之后这个均匀的磁感应强度分布就能看到。Step 4. 输入信号行波管的输入射频信号设置比较特别由于我们没有实际需要放大的信号这里就用sinestep正弦阶梯信号做演示。频率5.855GHz是我们的载波频率也对应之前慢波结构相速度0.16.生成的信号是振幅为1的信号还不是输入信号。输入信号要用这个signal1乘以激励功率。这里还有个Chirp rate选项可以用来设置啁啾信号就是频率随时间改变跟鸟叫似的。不用这个就是单频点结果用了就是宽频的结果。当然这里是指后处理时傅里叶变换不考虑一开始的上升信号只看稳态的话。Step 5. PIC求解器PIC 是Particle-In-Cell是自洽的时域电磁场和粒子在全波段互作用计算的高级求解器。这里定义输入信号的功率也就0.05W平均功率0.1W的峰值功率。推荐将该功率值参数化可以方便过后参数化扫描仿真然后可以拿到放大器基本的输出输入功率曲线这里我们就不做了等下直接上个图。到这里基本就是准备好仿真了当然还可以加一些监视器就留给同学自己探索吧。这里要注意的是行波管仿真通常时间很长用了GPU加速卡则时间大幅缩减这是也是CST的优势之一。一起看下结果1DResult有各种数据重点1:看输入信号和输出信号稳态时的放大效果量一下稳态的峰值然后用后处理20log()就可以算出增益了。不是10log()哦因为这个单位是根号瓦。重点2粒子的的速度调制情况粒子传播和束化的三维动图下图是一帧的相位空间曲线可以看出粒子不同位置时的能量总体能量是下降的震荡越来越强不容易看出因为能量转换去射频信号。当增益设计的大一些的时候我们就可以清晰地看到这个曲线是震荡式地下跌。重点3最后看一张客户用TWT参数扫描画出的增益曲线和宽频输出功率曲线不同模型宽频结果之前的Chirp函数也可以拿到互相验证。可以看到和一般功率放大器不同在达到饱和点之后TWT的增益是会下降的。最后再看一下行波管TWT的完整设计流程这些都可以在CST一个界面完成第一步粒子源仿真我们之前写过一个简单的电子枪案例可参考。第二步慢波结构仿真之前SWS用本征模做冷设计分析案例可参考。第三步输出信号仿真也就本篇PIC-solver做功放的热设计分析。第四步收集极电磁仿真接收粒子二次倍增等。也可以合并收集极一起热分析。第五步收集极热学仿真。【相关内容】CST如何设置场探针如何在CST中设置入射电磁波的极化角CST如何将导入的CAD模型由二维更正为三维