基于辐射场及遗传算法的过模矩形波导中模式分析方法

摘要

模式是传输在波导中的电磁波的一个重要特性。波导的尺寸决定了可以传输的模式，尽管单模工作是高功率微波源追求的目标，但是在实际的研究和调试过程中，一方面由于对阴极电子发射缺乏控制方法造成了复杂的激励条件，另一方面为提高输出功率采用了高度过模结构的谐振腔及传输波导，使得过模波导中的电磁波具有功率高、单次短脉冲、多模和模式不确定等特点。由于过模波导是高功率微波系统中的传输部分，因此研究过模波导中电磁场的形成和传播对如何改进功率源有重要的意义。但过模波导具有的不利特点使得其模式难以采用常规的方法(如探针、模式滤波器等)进行识别。 本文针对该问题，提出基于辐射场及遗传算法的波导模式分析法来解决这一困难。文中主要以过模矩形波导作为研究目标，此方法同样适用于其他波导。该方法采用非介入的测量方法一一测量辐射场法来获得过模波导内模式的信息。由辐射场信息得到模式信息是一种电磁场的逆问题。本文方法采用遗传算法，并不直接求解电磁场逆问题，而是将电磁场逆问题求解转化为正问题的全局最优化求解。这种方法的好处是避免了病态方程求解问题，不需要测量辐射场的相位，l司时采用“超定”条件保证解的精度。具体地说就是事先得到各模式的辐射场，然后将合成的多模式辐射场方向图与测量的辐射方向图在多点上的比较，通过遗传算法获得最佳匹配，并得到各模式在过模波导总场的复系数。 在数值试验中，本文采用了解析式法和时域有限差分法(Finite Difference Time D0main，FDTD)来模拟波导的辐射场。解析式法是根据已知的各种模式在波导口处的分布，将波导口面网格化，形成微小电流元和磁流元，对每个电流元和磁流元在远处的辐射场进行积分，得到波导的辐射场；时域有限差分法能更好地研究各个模式在波导中的形成过程，以及通过近场外推，可以计算出远场辐射场。本文采用了遗传算法和最小二乘法作为反演复系数的算法。遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的高度并行、随机、自适应全局搜索算法，是基于蒙特卡罗法的算法。采用遗传算法搜索最优的各模式的复系数，从而避免了直接求解病态的逆问题，而将病态逆问题的求解转换为基于求解正问题的搜索最优问题。最小二乘法是一种求最优解的传统算法，能进行曲线拟合、函数逼近、数据处理、方差分析与回归分析。最小二乘法则直接求解逆问题。 数值实验结果可以说明本文方法能可靠的诊断出过模矩形波导内各模式的复系数。并且对最小二乘法和遗传算法反演结果进行了比较，比较结果表明遗传算法在测量值有误差时具有容错能力强的优势。

目录

文摘

英文文摘

第一章概述

第二章本论文采用的计算波导辐射场的方法简介

第三章本论文采用的分析模式的方法简介

第四章模式识别的数值实验

第五章结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的论文

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