一种螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法与流程

1.本发明属于行波管模拟及优化设计领域，具体涉及一种螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法，基于多目标优化算法。


背景技术：

2.螺旋线行波管具有输出功率大、效率高等优点，作为放大器被广泛运用于航天领域中的数据传输系统及电子对抗中的末级功率放大系统。螺旋线行波管中的互作用区域是发生能量交换的场所，这一区域的设计将直接影响行波管的输出功率、电子效率等重要性能指标。现在广泛采用的设计流程是先通过设计目标确定高频结构的设计，在此基础上设计出对应的螺距分布。为了设计高效率、低损耗的螺旋线行波管，不仅需要设计具有高耦合阻抗的高频结构，而且需要设计具有高电子效率的螺距分布。如何在现有高频结构设计的基础上设计出满足各项性能指标的螺距分布是螺旋线行波管设计过程中的一个重要环节。
3.现在广泛使用的设计方法是通过三维电磁仿真软件如hfss、cst等对整个行波管进行三维建模并对设置各项结构参数进行电性能仿真，在此基础上不断迭代。由于高频结构的性能指标非常多且多个指标间相互制约，导致了现有设计方法存在难以达到整体设计最优。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为解决现有设计方法由于高频结构存在多个相互制约的指标引发难以达到整体螺旋线行波管设计最优的问题，本发明提供了一种螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法，该方法基于多目标优化算法，在保证频带输出功率p
out
，相移phase满足设计指标的前提下，通过引入非性能指标参数饱和输入功率p
in
加快了优化算法的收敛速度。
5.一种螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法，具体步骤如下：
6.步骤1、将行波管螺距分布设计中要求的多个性能指标建模为一个对应的多目标优化数学模型。
7.典型的多目标优化问题的数学语言表述如下：
[0008][0009][0010]
为目标函数向量，m表示目标函数数目；为决策向量，n为决策向量的数目；代表两类不同的不等式与等式约束条件；分别为决策向量取值范围的上下限。
[0011]
确定螺距分布设计的高频结构模型及螺距段数，此处螺距段数对应多目标优化数学模型中的决策向量数目为n，故使用符号n来代指螺距段数；确定各段螺距的取值范围据此构造式(1)中的决策向量取值范围的上下限并根据各段螺距的初始长度xi，i＝1，2，...，n，构造向量该向量即为式(1)中的决策向量
[0012]
将优化指标频带输出功率p
out
≥p
out_indicator
、相移phase≤phase-indicator转化为式(1)中目标函数向量及优化约束条件，p
out_indicator
、phase-indicator均为设计指标，由设计人员根据实际情况赋值。并向目标函数中添加非性能指标饱和输入功率p
in
，p
in
表征p
out
对应的输入功率，与行波管多项性能指标密切相关，故最终的目标函数向量为
[0013]
步骤2、设置nsga-ii算法的相关参数，执行算法初始化程序：
[0014]
根据步骤1中得到的决策向量根据步骤1中得到的决策向量目标函数向量及优化约束条件作为参数代入nsga-ii算法并设置nsga-ii算法所需的其余参数种群大小m、迭代次数上限it、交叉概率pc及变异概率pm，完成nsga-ii初始化。
[0015]
根据上述参数设置，nsga-ii算法将生成m个决策变量这些决策变量共同构成遗传算法的种群
[0016][0017]
为迭代计数it赋初值0。
[0018]
步骤3、根据种群中的个体设置螺距分布，启动注波互作用模拟器(bwis)计算仿真结果：
[0019]
按照步骤l中确定的对应关系可将种群中的任意个体转化为具体的螺距分布设计，将这些设计参数更新到行波管注波互作用过程中并启动注波互作用模拟器计算该种螺距分布下的频带输出功率p
out
、相移phase及饱和输入功率p
in
。
[0020]
将仿真结果转化为目标函数向量写入nsga-ii对应的个体j中。计算完所有个体的目标函数向量后，执行nsga-ii进化操作，基于目标函数向量执行nsga-ii选择、交叉、变异算子实现在种群基础上对个体的淘汰与补充生成新的种群
[0021]
步骤4、根据步骤3中得到的各个个体对应设计指标的频带输出功率p
out
及相移phase，判断是否达到了理想的指标要求：
[0022]
若是则结束，输出结果；
[0023]
若否，则判断迭代计数it是否达到迭代次数上限it：若是，则结束并输出结果；若否，则增加迭代计数it＝it 1，重复执行步骤3、4直至输出结果。
[0024]
步骤5、从步骤4所得输出结果中选取相移满足设计要求时频带输出功能最大的个体作为最优的个体，根据步骤1中确定的对应关系将个体转化为具体的设计参数，并将这些设计参数更新到行波管注波互作用过程中得到最终的螺距分布设计。
[0025]
综上所述，本发明基于多目标优化算法的螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法
以螺距分布作为优化参数，通过结合实际的管型限制给出优化参数的大致取值范围，将注波互作用过程中的主要性能指标：频带输出功率及相移，及非性能指标饱和输入功率作为优化目标，利用nsga-ii在性能指标相互矛盾的情况下实现总体设计最优，实现了螺距分布设计的优化。本发明通过引入非性能指标饱和输入功率p
in
缩小了算法的搜索域，加快了算法的收敛速度，充分发挥了nsga-ii多目标优化的优势，解决了螺距分布设计难以达到总体设计最优的问题。
附图说明
[0026]
图1为本发明的流程图。
[0027]
图2为实施例行波管的螺距分布示意图。
[0028]
图3为初始的全频带输出功率。
[0029]
图4为优化完成后的全频带输出功率。
[0030]
图5为初始的高频饱和点输出功率。
[0031]
图6为初始的高频饱和点对应相移。
[0032]
图7为优化完成后的高频饱和点输出功率。
[0033]
图8为优化完成后的高频饱和点对应相移。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0035]
本实施例采用以对一个k波段的螺旋线行波管螺距分布进行优化设计作为示例。根据注波互作用理论以计算得到行波管螺距分布的初始分布。图2展示了螺距分布中包含的内容。
[0036]
一种螺旋线行波管螺距分布设计的优化方法，包括以下步骤：
[0037]
步骤1、确定螺距分布设计与多目标优化问题数学模型的对应关系：
[0038]
初始化螺距分布设计，优化参数选取螺距分布中的第二段z
21
、z
22
、z
23
、z
24
，构造决策向量决策参数的取值上下限分别为决策参数的取值上下限分别为优化目标为输出功率最大且基准值为120w、相移最小且基准值为44度、饱和输入功率最小。
[0039]
步骤2、设置nsga-ii算法的相关参数，执行算法初始化程序：
[0040]
设定nsga-ii初始化所需参数：种群数目m＝32、最大进化代数it＝30、交叉率pc＝0.6、变异率pm＝0.2。nsga-ii算法将根据步骤1中给定的决策向量及变化范围随机生成32个个体，每个个体对应一个螺距分布，这32个个体共同构成集合为迭代计数it赋初值0。
[0041]
步骤3、调用bwis计算集合中32组决策向量各自对应的目标函数值并执行nsga-ii进化操作：
[0042]
根据nsga-ii的种群中的个体设置行波管注波互作用过程的螺距分布并进行注波互作用仿真计算频带输出功率p
out
、相移phase及饱和输入功率p
in
，将仿真结果转化为目标函数向量写入nsga-ii对应的个体中。然后执行nsga-ii的进化操作，基于目标函数向量执行nsga-ii选择、交叉、变异算子实现在种群基础上对个体的淘汰与补
充生成新的种群
[0043]
步骤4、根据步骤3中得到的各个个体对应设计指标的频带输出功率p
out
及相移phase，判断是否达到了理想的指标要求：若是则结束，输出结果；若否，则判断迭代计数it是否达到迭代次数上限it：若是，则结束并输出结果；若否，则增加迭代计数it＝it 1，重复执行步骤3、4直至输出结果。
[0044]
步骤5、从步骤4所得输出结果中选取相移低于45度时频带输出功率最大的个体作为最优的个体，根据步骤1中确定的对应关系将个体转化为具体的设计参数，并将这些设计参数更新到行波管注波互作用过程中得到优化后的螺距分布设计。
[0045]
本实例优化后得到的全频带输出功率曲线如图5所示，nsga-ii算法迭代次数为30次。比较图3和图4可以看出优化后的螺距在全频带的饱和输出功率增加了7w左右。根据图7可以得到优化后的饱和输入功率p
in
为-13.7dbm明显低于图5中优化前的饱和输入功率，结合图7与图8可以得到优化后的高频饱和点的相移为43.75度，优于图6展示的原有设计高频点相移44.26度，由螺距分布设计经验可见本设计的相移低于44度，满足设计要求。需要指出的一点是该螺距分布为最优解集中的一个解，最优解集中包含其他几个侧重指标不同的螺距分布解，这些解全部优于初始螺距分布。
[0046]
通过上述实施例可见，本发明以螺距分布作为优化参数，通过结合实际的管型限制给出优化参数的大致取值范围，将注波互作用过程中的主要性能指标：频带输出功率及相移，及非性能指标饱和输入功率作为优化目标，利用nsga-ii在性能指标相互矛盾的情况下实现总体设计最优，实现了螺距分布设计的优化。并通过引入非性能指标饱和输入功率p
in
缩小了算法的搜索域，加快了算法的收敛速度，充分发挥了nsga-ii多目标优化的优势，解决了螺距分布设计难以达到最优分布的问题。