高功率微波器件全局優(yōu)化算法及應用.pdf

1、高功率微波(High Power Microwave，HPM)因其在電子對抗、雷達通訊、粒子加速、無線輸能等眾多科學技術和安全領域有著潛在、巨大的應用前景而備受矚目。HPM的產(chǎn)生涉及很強的非線性、瞬態(tài)和非平衡過程，很難對其進行細致的解析分析，并且實驗代價昂貴。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構的基礎上，利用粒子模擬軟件通過依次掃描結構參數(shù)的方法對HPM器件進行優(yōu)化設計。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器件的設計效率，設計結果更接近理論最優(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)化設計的水平。
　　本論文首先研制了2.5維并行粒子模擬程序NEPTUNE2D，它能用于仿真和設計r-z坐標系下的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、擴展性強的特點。在

3、全電磁粒子模擬算法處理上，為了更適合大規(guī)模并行計算，有效的提高計算效率，程序中采用zigzag守恒PIC方法替代傳統(tǒng)PIC方法，避免了求解復雜的泊松方程。為了應用于實際的HPM器件設計，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、同軸線、同軸二極管、無箔二極管等算例驗證了這些模塊的正確性。通過對MILO器件的實際仿真計算，驗證了程序的整體正確性。初步應用該程序模擬研究了一個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，微波轉換效率為21％。并利用該器件測試了程序的并行性能，初步驗證了程序的并行能力和可擴展性。
　　然后，本文將遺傳算法應用于HPM器件的設計中，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。應用該優(yōu)化設計程序，對一個MILO器件進行了結構緊湊型和輸出性能改善型優(yōu)化