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cst案例-和记娱乐怡情博娱188

来源: | 作者:thinks | 发布时间: 2023-10-10 | 320 次浏览 | 分享到:

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300px,属于小型,增益也设计得没有很高,只用于演示。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

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。

 

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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。


 cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计


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。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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:


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计

 

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:

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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.


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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。


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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:

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

重点1: 看输入信号和输出信号稳态时的放大效果:


cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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:

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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。

 

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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。

 

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 

 

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:

 

cst案例-行波管twt仿真(下)自洽互作用热设计 


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。

仿真实例017:粒子枪仿真和track solver追踪求解

 

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。

仿真实例019:行波管twt仿真(上)慢波结构的冷设计

 

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。

 

(内容、图片来源:cst仿真专家之路公众号,侵删)

 

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