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高功率微波器件全局优化算法及应用

张恒  
【摘要】:高功率微波(High Power Microwave, HPM)因其在电子对抗、雷达通讯、粒子加速、无线输能等众多科学技术和安全领域有着潜在、巨大的应用前景而备受瞩目。HPM的产生涉及很强的非线性、瞬态和非平衡过程,很难对其进行细致的解析分析,并且实验代价昂贵。目前较为通用的研制HPM器件的方法是在理论分析确定器件大致结构的基础上,利用粒子模拟软件通过依次扫描结构参数的方法对HPM器件进行优化设计。这种方法效率不高、人为因素较大,而且参数之间的相互制约使得它很难得到全局最优解。全局优化算法能有效提高HPM器件的设计效率,设计结果更接近理论最优解,而且在研制过程中将全局优化算法和粒子模拟程序的并行一并考虑,更能提高优化设计的水平。本论文首先研制了2.5维并行粒子模拟程序NEPTUNE2D,它能用于仿真和设计r-z坐标系下的HPM器件和电真空器件等。NEPTUNE2D程序基于JASMIN框架直接编制,而非传统从串行程序改编而来,具有并行效能好、扩展性强的特点。在全电磁粒子模拟算法处理上,为了更适合大规模并行计算,有效的提高计算效率,程序中采用zigzag守恒PIC方法替代传统PIC方法,避免了求解复杂的泊松方程。为了应用于实际的HPM器件设计,研制了外加电磁波、粒子发射以及外加磁场等基本物理功能模块,并通过圆波导、同轴线、同轴二极管、无箔二极管等算例验证了这些模块的正确性。通过对MILO器件的实际仿真计算,验证了程序的整体正确性。初步应用该程序模拟研究了一个以金属箔片作为扼流手段的X波段高效同轴返波管器件(CRBWO),其输出功率为3GW,微波转换效率为21%。并利用该器件测试了程序的并行性能,初步验证了程序的并行能力和可扩展性。然后,本文将遗传算法应用于HPM器件的设计中,并提出了粒子模拟程序与优化算法两级并行的概念;将基于消息传递接口的并行遗传算法程序与NEPTUNE2D无缝链接,研制了两级并行的、具有全局优化功能的全电磁粒子模拟程序。应用该优化设计程序,对一个MILO器件进行了结构紧凑型和输出性能改善型优化,在减小MILO的重量和体积的同时,输出功率从6.0GW提高到9.3GW,转换效率从13.3%提高到19.8%。本文还对一个CRBWO进行了性能优化设计,输出功率从3GW提高为4GW左右,效率从21.4%提高为28.6%。


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