高功率微波器件全局優(yōu)化算法及應(yīng)用.pdf

1、高功率微波(High Power Microwave，HPM)因其在電子對抗、雷達(dá)通訊、粒子加速、無線輸能等眾多科學(xué)技術(shù)和安全領(lǐng)域有著潛在、巨大的應(yīng)用前景而備受矚目。HPM的產(chǎn)生涉及很強(qiáng)的非線性、瞬態(tài)和非平衡過程，很難對其進(jìn)行細(xì)致的解析分析，并且實(shí)驗(yàn)代價(jià)昂貴。目前較為通用的研制HPM器件的方法是在理論分析確定器件大致結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用粒子模擬軟件通過依次掃描結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法對HPM器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種方法效率不高、人為因素較大，而且參數(shù)

2、之間的相互制約使得它很難得到全局最優(yōu)解。全局優(yōu)化算法能有效提高HPM器件的設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)結(jié)果更接近理論最優(yōu)解，而且在研制過程中將全局優(yōu)化算法和粒子模擬程序的并行一并考慮，更能提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的水平。
　　本論文首先研制了2.5維并行粒子模擬程序NEPTUNE2D，它能用于仿真和設(shè)計(jì)r-z坐標(biāo)系下的HPM器件和電真空器件等。NEPTUNE2D程序基于JASMIN框架直接編制，而非傳統(tǒng)從串行程序改編而來，具有并行效能好、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。在

3、全電磁粒子模擬算法處理上，為了更適合大規(guī)模并行計(jì)算，有效的提高計(jì)算效率，程序中采用zigzag守恒PIC方法替代傳統(tǒng)PIC方法，避免了求解復(fù)雜的泊松方程。為了應(yīng)用于實(shí)際的HPM器件設(shè)計(jì)，研制了外加電磁波、粒子發(fā)射以及外加磁場等基本物理功能模塊，并通過圓波導(dǎo)、同軸線、同軸二極管、無箔二極管等算例驗(yàn)證了這些模塊的正確性。通過對MILO器件的實(shí)際仿真計(jì)算，驗(yàn)證了程序的整體正確性。初步應(yīng)用該程序模擬研究了一個(gè)以金屬箔片作為扼流手段的X波段高效同

4、軸返波管器件(CRBWO)，其輸出功率為3GW，微波轉(zhuǎn)換效率為21％。并利用該器件測試了程序的并行性能，初步驗(yàn)證了程序的并行能力和可擴(kuò)展性。
　　然后，本文將遺傳算法應(yīng)用于HPM器件的設(shè)計(jì)中，并提出了粒子模擬程序與優(yōu)化算法兩級并行的概念;將基于消息傳遞接口的并行遺傳算法程序與NEPTUNE2D無縫鏈接，研制了兩級并行的、具有全局優(yōu)化功能的全電磁粒子模擬程序。應(yīng)用該優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，對一個(gè)MILO器件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)緊湊型和輸出性能改善型優(yōu)化