[发明专利]一种基于多目标优化算法的行波管电子枪设计方法

说明书

本发明属于微波电真空技术领域，具体涉及一种基于多目标优化算法的行波管电子枪优化设计方法。本发明以电子枪几何结构参数作为优化参数；通过快速综合设计方法得到电子枪的初始结构值，确定优化参数的大致范围；以行波管电子枪的阴极发射电流、注腰半径、电子注射程作为优化目标，利用非支配遗传算法NSGA‑II去逼近全局最优解，最后分析优化解集中所有个体的电子注轨迹交叉情况，选取层流性最好的解作为最终设计方案，实现行波管电子枪的优化。本发明在电子枪宏观电参数阴极电流、注腰半径、射程已经满足设计要求的前提下，考虑微观电子轨迹，选择电子注的层流性最好的电子枪结构，进一步提高了电子枪的性能，并且效率高。

技术领域

本发明属于微波电真空技术领域，具体涉及一种基于多目标优化算法：NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic Algorithms II：非支配遗传算法II)的行波管电子枪优化设计方法。

背景技术

行波管是一类在现代军事、通信、航空航天领域内广泛使用的微波真空电子器件，具有十分重要的作用。行波管电子光学系统(Electronic optical system：EOS)由电子枪、磁聚焦系统和降压收集极三部分组成，在行波管中电子枪负责产生电子注并赋予电子注直流能量。在设计行波管电子枪时，优化电子枪的结构对行波管的增益、效率、寿命等具有决定性的作用。有效的行波管电子枪优化设计方法，能够避免依赖人工经验优化调节带来的不确定性和盲目性，同时能够进一步提高行波管性能，大量缩短行波管的设计周期。

行波管电子枪的优化设计可以分为两个阶段：第一个阶段是根据设计要求计算出电子枪几何结构参数的初始值；第二阶段是在获得几何结构参数的初始值之后，再对几何结构参数值进行调整来优化电子枪以满足设计要求。

目前国内外主要设计方法：第一阶段的设计是在皮尔斯的综合设计方法的基础上进行改进，在第一阶段获得电子枪几何结构参数的初始值后，不断调整几何结构参数值，逐渐改善电子枪的性能。这种方法严重依赖人工经验，优化过程效率低，且难以达到电子枪的最佳工作状态。

另一种可以找到行波管电子枪的最佳几何结构的方法就是扫描电子枪几何结构参数，然后提取所有的扫描计算结果，并根据优化目标进行排序，即可得到最佳电子枪的结构。这种方法的原理简单，但是存在的缺陷是扫描次数与扫描参数的数目和范围成几何级数增长，耗时长，效率极低，不具备应用价值。

还有一种设计方法是在设定注腰半径和射程的先验值的前提下，将注腰半径和射程与先验证的差值和作为优化目标，使用单目标优化算法优化电子枪的几何结构参数，但是这种设计方法一般难以设定合适的注腰半径，同时设计出来的电子枪得到的电子注难以保证较好的层流性。

电子注的层流性的好坏是决定电子枪设计成功与否的关键指标。电子注层流性好坏最明显的标志是：电子注电子从阴极发射出来后，除有一定汇聚效应外没有明显的横向运动，电子之间轨迹没有交叉。只有这样电子注电子才能在纵向磁场的聚焦作用下充分的与高频场完成能量交换。反之如果电子注层流性不好，电子横向运动比较剧烈，那么容易造成电子截获大，螺旋线电流上升，这不仅降低了电子注与电子波的互作用效率，而且由于管体发热导致行波管可靠性下降，甚至直接烧毁。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了克服传统方法面临的以下问题：1)人工手动调试优化电子枪无法保证找到最佳工作状态，难以兼顾多个优化目标，优化结果不可复制；2)单目标优化算法难以兼顾多个相对独立的优化目标，设计出来的电子枪得到的电子注难以保证较好的层流性；3)扫描方法耗时长、效率低。本发明提供了一种基于多目标优化算法的行波管电子枪优化设计方法。

基于多目标优化算法的行波管电子枪优化设计方法，包括以下步骤：

S1、根据阴极发射电流、注腰半径、阴极电压和电子注的射程设计目标，采用快速综合设计方法得到电子枪的初始结构。