CST案例-行波管TWT仿真（下）自洽互作用热设计

这一期我们一起看一下CST自带案例之一，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help：

Step 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-field，0.5T，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：