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遗传算法在螺旋线行波管优化设计中的应用

作　者: 刘培印
导　师: 杨中海
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 遗传算法慢波结构螺旋线宽带行波管
分类号: TN124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 19次
引　用: 1次
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内容摘要

在微波与毫米波电真空器件中,行波管因为其具有宽频带、高效率、高功率和高可靠性等优点,被用于许多陆基和空间通信系统中。论文旨在研究如何利用遗传优化算法有效优化螺旋线行波管的电子效率,缩短互作用长度和讨论在窄带情况下兼顾效率和带宽的模拟。论文对遗传算法的基本理论和设计方法,螺旋线慢波系统的工作原理和真空中螺旋线慢波结构中的场分布,螺旋线慢波系统中的高频特性和一维基于场论的注-波互作用理论进行了全面的介绍。对应用于螺旋线行波管慢波结构优化设计的遗传算法进行了设计,并用MATLAB语言编写了优化算法程序。以遗传算法程序和电子科技大学理论与计算机模拟实验室编写的注-波互作用计算程序[1-3]为工具,对螺旋线行波管慢波结构参数进行了优化设计。本文的主要工作概括如下:1、遗传算法的设计。本优化算法采用实数编码方式,线性排序和最佳保留选择策略,自适应交叉算子和自适应变异算子等操作。结果证明设计的遗传算法是一种性能优异的优化算法。2、行波管慢波结构中螺旋线长度的优化。在单信号输入的情况下,均匀和三段螺旋线时,遗传算法优化了螺旋线的长度对螺旋线行波管中电子效率(或者是输出功率)的影响。3、多段螺旋线螺距分布的优化设计。在单信号输入的情况下,螺旋线的螺距分段数越多,优化所得的螺旋线行波管的电子效率越大,同时,其增大的趋势也趋于缓慢。但是,螺旋线段数分的越多,计算量就会增大。4、螺旋线行波管输入功率的优化。信号场的输入功率对优化螺旋线行波管的电子效率和优化高效螺旋线行波管的带宽没有太大的影响。5、高效螺旋线行波管的带宽优化。本文通过遗传优化算法借助两端优化的方法优化了螺旋线行波管的带宽,达到了拓展带宽的目的,进而证明了遗传算法对优化高效螺旋线行波管的带宽是有效的。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 螺旋线行波管的概况及发展现状  10-16
    1.1.1 行波管的发展历史  10-11
    1.1.2 螺旋线行波管的发展及其现状  11-14
    1.1.3 螺旋线行波管的组成结构  14-16
  1.2 螺旋线行波管CAD 技术  16-18
  1.3 遗传优化算法  18
  1.4 本文的研究内容和结构安排  18-20
    1.4.1 课题来源  18-19
    1.4.2 本文研究的内容  19-20
    1.4.3 本文的结构安排  20
  1.5 本章小结  20-22
第二章遗传算法的基本原理及设计方法  22-37
  2.1 遗传算法思想  22-25
    2.1.1 遗传算法的起源  22-23
    2.1.2 遗传算法的基本思想  23-25
    2.1.3 遗传算法的应用领域  25
  2.2 遗传算法理论  25-29
    2.2.1 遗传算法的操作步骤  25-26
    2.2.2 标准遗传算法的操作  26-28
      2.2.2.1 编码和解码  26-27
      2.2.2.2 适应度函数  27
      2.2.2.3 个体适应度  27
      2.2.2.4 遗传算子  27-28
      2.2.2.5 标准遗传算法的设计参数  28
    2.2.3 遗传算法的基本原理  28-29
      2.2.3.1 模式定理  28-29
      2.2.3.2 积木块假设  29
  2.3 遗传算法的设计方法  29-35
    2.3.1 编码方案  30-31
    2.3.2 选择策略  31-32
    2.3.3 交叉、变异算子的设计  32-35
    2.3.4 控制参数的选择  35
  2.4 本章小结  35-37
第三章螺旋线行波管高频特性分析及注波互作用理论  37-49
  3.1 螺旋线慢波系统的工作原理和场分布  37-44
    3.1.1 螺旋线慢波结构的基本工作原理  37-38
    3.1.2 螺旋线慢波系统中的场分布  38-44
  3.2 螺旋线慢波系统中的高频特性  44-45
    3.2.1 色散特性  45
    3.2.2 衰减常数  45
    3.2.3 耦合阻抗  45
  3.3 螺旋线行波管注波互作用理论分析  45-48
  3.4 本章小结  48-49
第四章遗传算法在螺旋线行波管优化设计中的应用  49-66
  4.1 螺旋线行波管优化设计中遗传优化算法的设计  49-54
    4.1.1 遗传算法的基本设计过程  49-50
    4.1.2 慢波系统优化中的遗传算法设计  50-52
    4.1.3 遗传算法应用于螺旋线行波管的优化设计  52-54
  4.2 螺旋线行波管高频结构参数优化设计  54-65
    4.2.1 螺旋线行波管高频和互作用参数  54-56
    4.2.2 高频系统中电子注的输入功率  56-57
    4.2.3 螺旋线长度优化  57-59
    4.2.4 多段螺旋线优化设计  59-62
    4.2.5 信号场输入功率优化  62-63
    4.2.6 高效螺旋线行波管的带宽优化  63-65
  4.3 本章小结  65-66
第五章总结  66-67
  5.1 本文研究内容总结  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-70
攻硕期间取得的研究成果  70-71

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