CST行波管TWT仿真示例（下）- 自洽互作用熱設計
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，常用于衛星通信和雷達。
Component Library 中搜Travelling Wave Tube模型，該模型是慢波結構Slow Wave模型的周期結構，我們用了49.5個周期，管大概長12cm，屬于小型，增益也設計得沒有很高，只用于演示。
Step 1. 查看建模
兩端在Y方向開了兩個波導端口，作為信號輸入和輸出。當然實際設計中可以沿途增加更多的方型端口，也可以是同軸端口，用于導出反射波、作為耦合器、或增加級數等功能。所以我們的案例是相對簡化的。
端口1這邊的管盡頭加個圓柱作為粒子源（電子槍）PEC結構，等下我們看粒子源定義。該結構產生的粒子會在靜磁場的作用下，在螺旋結構中心形成電子束。
端口2我們直接就用電邊界封口，事實上六個邊界都是電邊界，緊貼結構。
這里計算要想精準，所有結構都建議本地加密，端口網格起碼要加密成這樣：
基本上到這里就可以用T-solver來做冷分析了，因為還沒粒子什么事。時域信號就是看端口信號，從一個波導端口到另一個，我們就不細說了。當然這部分也挺重要，相當于是耦合器設計，設計不好會導致反向波諧振。值得注意的是，TWT時域仿真不要用energy check，因為能量腔體結構收斂比較慢。
下面是正常的時域仿真結果：
Step 2. 粒子源
接下來做熱設計，粒子終于上場了！
選擇圓柱內面，然后定義Particle Circular Source就可以了。這里用的是DC發射模型，是穩定的電流，Edit編輯里面可以電流值、上升時間、粒子動能等。這些信息可以通過電子槍設計時用Trk-solver追蹤求解器求出（可用Particle Interfaces功能導入），這里我們就用默認了。
這里我們用10mA，上升時間0.1ns；動能分布均勻，值為0.16，也就是電子初始速度是光速的16%。這個值是為了和之前慢波結構中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，達到強相互作用。
其他發射模型詳細請查看help：
Step 3. 磁場
再來看磁場，靜磁場是Source Field這里添加的。
這里我們加個Z方向的均勻B-field，0.5T，實際行波管的磁場可以是來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替代。等下仿真之后這個均勻的磁感應強度分布就能看到。
Step 4. 輸入信號
行波管的輸入射頻信號設置比較特別，由于我們沒有實際需要放大的信號，這里就用sinestep正弦階梯信號做演示。頻率5.855GHz是我們的載波頻率，也對應之前慢波結構相速度0.16.
生成的信號是振幅為1的信號，還不是輸入信號。輸入信號要用這個signal1乘以激勵功率。
這里還有個Chirp rate選項可以用來設置啁啾信號，就是頻率隨時間改變，跟鳥叫似的。不用這個就是單頻點結果，用了就是寬頻的結果。當然這里是指后處理時傅里葉變換不考慮一開始的上升信號，只看穩態的話。
Step 5. PIC求解器
PIC 是Particle-In-Cell，是自洽的時域電磁場和粒子在全波段互作用計算的高級求解器。這里定義輸入信號的功率，也就0.05W平均功率，0.1W的峰值功率。推薦將該功率值參數化，可以方便過后參數化掃描仿真，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，等下直接上個圖。
到這里基本就是準備好仿真了，當然還可以加一些監視器，就留給同學自己探索吧。這里要注意的是，行波管仿真通常時間很長，用了GPU加速卡則時間大幅縮減，這是也是CST的優勢之一。一起看下結果，1DResult有各種數據：
重點1: 看輸入信號和輸出信號穩態時的放大效果：
量一下穩態的峰值，然后用后處理20log()就可以算出增益了。不是10log()哦，因為這個單位是根號瓦。
重點2：粒子的的速度調制情況，粒子傳播和束化的三維動圖：
下圖是一幀的相位空間曲線，可以看出粒子不同位置時的能量，總體能量是下降的（震蕩越來越強不容易看出），因為能量轉換去射頻信號。當增益設計的大一些的時候，我們就可以清晰地看到這個曲線是震蕩式地下跌。
重點3：最后看一張客戶用TWT參數掃描畫出的增益曲線和寬頻輸出功率曲線（不同模型），寬頻結果之前的Chirp函數也可以拿到互相驗證。可以看到和一般功率放大器不同，在達到飽和點之后，TWT的增益是會下降的。
最后再看一下行波管TWT的完整設計流程，這些都可以在CST一個界面完成：
第一步，粒子源仿真，我們之前寫過一個簡單的電子槍案例，可參考：CST仿真實例：粒子槍仿真和Track Solver追蹤求解
第二步，慢波結構仿真，之前SWS用本征模做冷設計分析案例，可參考：CST行波管TWT仿真實例（上）- 慢波結構的冷設計
第三步，輸出信號仿真，也就本篇PIC-solver做功放的熱設計分析。
第四步，收集極電磁仿真，接收粒子，二次倍增等。也可以合并收集極一起熱分析。
第五步，收集極熱學仿真。
