CST行波管TWT仿真示例（上）- 慢波结构的冷设计
这一期我们一起看一下CST自带案例之一，慢波结构（SWS, slow wave structure）。
慢波结构是行波管（TWT，travelingwave tube）的核心，其性能将直接影响行波管放大器的整体性能。之所以叫慢波结构，是因为电磁波在螺旋周围的移动降低了波沿着真空管轴线移动的速度，结果与慢速粒子的速度相接近，从而产生强大的相互作用，从电子束中吸收能量并将信号波放大。话说CST的前身MAFIA就是专业计算行波管的，绝对老本行。
对慢波结构进行三维本征模E-solver分析色散图是最有效设计方法，也称冷设计(Cold Test)。多个慢波结构周期性连接形成行波管后，用时域T-solver分析不同耦合端口之间的时域信号传输，也算冷设计的一部分。对应的热设计(Hot Test)，则是行波管加上粒子源和功放之后的仿真设计，需要静磁场Ms-solver和高频自洽PIC-solver来算粒子和场的互动，我们接下来在“行波管TWT仿真（下）自洽互作用热设计”再谈。
Component Library 中搜Slow Wave模型。直接看模型不容易理解，这里我们从零开始，重新建模学习这个螺旋结构。螺旋结构的TWT普遍又经典，当然市面上也有很多其他结构，比如蛇形链接的平行环等。
使用模板：
Step 1. 画中心螺旋
先画一个功能性方块，厚度和宽度对应中心螺旋线的厚度和宽度，然后选其截面和一边。
在Pick Lists 里选择已选的边，然后点In plane将该边沿-X移动一段距离，该距离就是螺旋线圈的半径。
然后用Rotate face功能，角度放720度，高度可以参数化，就是螺旋线圈的高度，材料PEC。
Step 2. 画夹持杆
删除功能性的方块，再画一个同轴空心圆柱包裹住螺旋线，材料为介质APBN, epsilon=5.12。APBN全称为Anisotropic Pyrolitic Deposited Boron Nitride，各向异性热解沉积氮化硼。
再画方块夹持杆，布尔运算求出与圆柱的重叠部分，再旋转60度两次。
Step 3. 画外壳和真空填充
用大的PEC方块先包住所有结构，不做任何布尔运算。
然后画和刚才圆柱同等大小实心圆柱，材料为真空，Insert插入到PEC方块中。
支撑材料APBN也insert插入到真空圆柱中。
最后切割出一个周期就可以了，整个过程只需几分钟，CST建模行波管的速度可谓是一大优势。
Step 4. E-solver设置
边界周围都是电边界，Z上下为周期边界，参数“phase”控制Z方向的扫描角。这里建议真空区域要本地加密。频率范围0-10GHz。
然后推荐跑个macro->Solver->E-solver->DefineSlow Wave userdefined Watch，参数扫描时就能提取更多慢性结构的KPI结果，比如相速度，耦合阻抗等等。用户还可点Edit修改或添加SWS相关的KPI。
求解器用Tet四面体网格：
Step 5. 仿真结果
相速度曲线是针对光速归一化的：
所有可以看到波在这个慢波结构中的传播速度比光速慢了五六倍。在一定带宽内，相速度也不是恒定的。
耦合阻抗结果如下，和空间谐波、增益都有关系。
根据得到的这些结果，结合粒子源的电路特性，就可以分析出，比如哪些频率是正向波或反向波，行波管是同步模式还是异步模式，能不能从离子中获取能量用于功放等等。很多设计也是通过调整螺线的结构来调整相速度，为了更好的和可用的电子速度匹配，提高功放效率。
关于轴方向的高阶空间谐波，我们有相关后处理模板方法获得，可前往达索网站：https://support.3ds.com/knowledge-base/
搜索“ObtainingCold-Test Parameters for a Helical Slow-Wave Structure Using CST”或“QA00000064048”，下载相关资料。或我们以后有机会再写。
另外关于时域T-solver在冷设计过程中也被广大客户所用，简单说就是在行波管中的时域信号传播位置、时间、大小、波形等等。对于CST的T-solver非常轻松，这里我们就先跳过。
最后看一下行波管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：CST仿真实例-粒子枪仿真和Track Solver追踪求解
第二步，慢波结构仿真，就是这篇SWS用本征模做冷设计分析。
第三步，输出信号仿真，也就是PIC-solver做功放的热设计分析。
第四步，接收器电磁仿真，接收粒子，二次倍增等。
第五步，接收器热仿真。
