本發(fā)明屬于微波電子學(xué)及電真空，具體涉及一種基于智能協(xié)同優(yōu)化的帶狀注電子槍設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
1、電真空器件在遠(yuǎn)距離成像、雷達(dá)、主動(dòng)拒止系統(tǒng)與衛(wèi)星通信、深空探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著高功率、高頻段、高效率等需求的不斷提升，電真空器件逐步向小型化、緊湊型方向發(fā)展。然而，器件小型化要求電子注小型化，傳統(tǒng)的圓柱狀電子注在小型化過(guò)程中面臨空間電荷力增強(qiáng)、電子聚束難度加大以及功率容量下降等問題。為此，采用具有較大寬高比的帶狀電子注成為解決上述問題的有效手段。
2、相比于圓柱形電子注，帶狀電子注在相同工作條件下能夠顯著降低電子間空間電荷力，從而降低聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)具有更高的電流密度，可提高電子槍的電流與輸出功率。此外，帶狀電子注能夠有效降低發(fā)射面的電流密度，延長(zhǎng)陰極材料的工作壽命，具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。
3、帶狀注電子槍作為帶狀注器件的核心部件，其產(chǎn)生的電子注的層流性直接決定了器件性能。主要有兩種設(shè)計(jì)方法：直接用橢圓狀或者矩形狀的陰極直接產(chǎn)生帶狀電子注；使用常規(guī)的電子槍產(chǎn)生圓狀的電子注然后通過(guò)磁場(chǎng)壓縮形成帶狀電子注。從目前的設(shè)計(jì)情況看常規(guī)電子槍發(fā)射后壓縮得到的帶狀電子注效果并不理想，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求較高，設(shè)計(jì)難度較大。
4、目前帶狀注電子槍的優(yōu)化主要依靠手動(dòng)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于手動(dòng)優(yōu)化很難使優(yōu)化得到的帶狀注電子槍產(chǎn)生較好的層流性，無(wú)法保證能得到電子槍的最佳工作狀態(tài)，且耗時(shí)長(zhǎng)效率低，多次設(shè)計(jì)結(jié)果之間難以關(guān)聯(lián)。因此，開發(fā)一種能夠優(yōu)化帶狀注電子槍設(shè)計(jì)的方法具有重要的技術(shù)意義與應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述存在問題或不足，本發(fā)明提出了一種基于智能協(xié)同優(yōu)化的帶狀注電子槍設(shè)計(jì)方法。
2、基于智能協(xié)同優(yōu)化的帶狀注電子槍設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
3、s1、根據(jù)輸入的電子槍設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括陰極電壓、電流、窄邊半徑、寬邊半徑，電子注腰的窄邊尺寸、寬邊尺寸，利用多目標(biāo)規(guī)劃算法，在電子槍設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中自動(dòng)選取結(jié)構(gòu)最接近的已有模型作為優(yōu)化初始模型；
4、s2、以初始模型為基準(zhǔn)，通過(guò)cst與matlab聯(lián)合仿真平臺(tái)自動(dòng)建立電子槍三維模型，并根據(jù)陰極與陽(yáng)極尺寸自適應(yīng)劃分仿真網(wǎng)格，在陰極發(fā)射面、陽(yáng)極孔等關(guān)鍵區(qū)域加密網(wǎng)格，在均勻場(chǎng)區(qū)域稀疏網(wǎng)格；通過(guò)matlab控制cst進(jìn)行計(jì)算，并讀取仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，提取實(shí)際電流iact、注腰窄邊尺寸wtact、寬邊尺寸wwact、電子速度分布及密度分布參數(shù)；
5、s3、基于提取的電子注性能參數(shù)，計(jì)算目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)由目標(biāo)參數(shù)函數(shù)、密度分布函數(shù)和層流性函數(shù)三部分組成，具體表達(dá)式為：
6、；
7、式中，fitopt為目標(biāo)參數(shù)函數(shù)，用于評(píng)價(jià)電子注宏觀參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)的偏差；fitqua為密度分布函數(shù)，用于評(píng)價(jià)電子注密度分布的均勻性；fitlam為層流性函數(shù)，用于評(píng)價(jià)電子注軌跡的層流性；ci是常數(shù)，其中i=1,2,3，用于調(diào)整各密度參數(shù)的權(quán)重。
8、目標(biāo)參數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為：
9、；
10、式中，iact是實(shí)際仿真電流，iexp是期望電流，wtact是電子注腰窄邊實(shí)際寬度，wtexp是電子注腰窄邊期望寬度，wwact是電子注腰寬邊實(shí)際寬度，wwexp是電子注腰寬邊期望寬度，ci是常數(shù)，其中i=4,5,6；
11、密度分布函數(shù)如下：
12、；
13、式中，vpmean是電子注腰處電子的平均速度比，vpmax是電子注腰處電子的最大速度比，dn是電子注腰處電子的窄邊密度比，dw是電子注腰處電子的寬邊密度比，ci是常數(shù)，其中i=7,8,9,10，用于調(diào)整各密度參數(shù)的權(quán)重；
14、層流性函數(shù)如下：
15、；
16、式中，，表示每個(gè)電子的軌跡注腰位置zmi與整個(gè)電子注腰位置zm的偏差；，表示每個(gè)電子軌跡在注腰處的斜率；ci是常數(shù)，其中i=11,12，用于調(diào)整層流性各指標(biāo)的權(quán)重；
17、s4、采用智能協(xié)同優(yōu)化算法，利用計(jì)算得到的電子注性能參數(shù)，對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。所述智能協(xié)同優(yōu)化算法依次執(zhí)行以下兩個(gè)階段：
18、s4.1、模糊控制粗調(diào)階段：采用基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的模糊控制參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，對(duì)電子槍關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化。該系統(tǒng)包含以下核心部分：
19、s4.1.1、通過(guò)定義動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)，采用公式計(jì)算自適應(yīng)調(diào)整因子，其中隨迭代過(guò)程自適應(yīng)減小，實(shí)現(xiàn)誤差等級(jí)的動(dòng)態(tài)縮放，使優(yōu)化系統(tǒng)能夠根據(jù)收斂狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化策略
20、s4.1.2、定義14維參數(shù)調(diào)整空間，對(duì)應(yīng)電子槍14個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括陰極拋物線系數(shù)a1、a2，陰極-陽(yáng)極間距l(xiāng)1，陰極-聚焦極間距l(xiāng)2，聚焦極厚度h1、h2，聚焦極開口尺寸a1、b1、a5、b5，聚焦極插值點(diǎn)位置p1、p2、p3、p4等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子槍結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化；
21、s4.1.3、采用if-else條件判斷結(jié)構(gòu)，通過(guò)casecnt變量控制程序進(jìn)行不同的優(yōu)化階段，根據(jù)性能誤差大小和收斂狀態(tài)動(dòng)態(tài)選擇調(diào)整策略，具體包括：
22、電流參數(shù)優(yōu)化：優(yōu)先調(diào)整陰陽(yáng)極間距參數(shù)，基于模糊控制規(guī)則，通過(guò)調(diào)整陰陽(yáng)極間距參數(shù)優(yōu)化電流參數(shù)，根據(jù)電流偏差δi的大小動(dòng)態(tài)選擇調(diào)整策略。當(dāng)電流偏差較大時(shí)，采用大步長(zhǎng)調(diào)整策略；當(dāng)電流偏差較小時(shí)，采用小步長(zhǎng)精細(xì)化調(diào)整策略，確保電流參數(shù)快速收斂至期望值。
23、聚焦極調(diào)整：針對(duì)窄邊和寬邊聚焦極開口尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)注腰尺寸偏差δwt、δww和密度分布情況動(dòng)態(tài)調(diào)整；通過(guò)模糊控制器的輸出變量δp和δf，實(shí)現(xiàn)聚焦極形狀的連續(xù)優(yōu)化，改善電子注的聚焦效果。
24、陰極調(diào)整：綜合調(diào)整陰極拋物線系數(shù)、陰極-聚焦極間距等參數(shù)，根據(jù)電子注密度分布和層流性指標(biāo)fitlam進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整。包括陰極曲率a1和a2的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射特性的改善和層流性提升。
25、s4.2、強(qiáng)化學(xué)習(xí)精調(diào)階段：以s4.1階段模糊控制輸出的較優(yōu)解作為初始狀態(tài)，啟動(dòng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法進(jìn)行局部精細(xì)優(yōu)化。該算法將電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)作為動(dòng)作空間，以cst仿真計(jì)算結(jié)果，通過(guò)matlab分析得到的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)作為獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)。算法在較優(yōu)解的鄰域內(nèi)進(jìn)行探索，通過(guò)與cst-matlab聯(lián)合仿真平臺(tái)的持續(xù)交互試錯(cuò)，自主學(xué)習(xí)并輸出參數(shù)微調(diào)動(dòng)作，以最大化累積獎(jiǎng)勵(lì)（即最小化目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)）。此階段能夠發(fā)現(xiàn)未被預(yù)設(shè)模糊規(guī)則覆蓋的、復(fù)雜的參數(shù)間耦合調(diào)整規(guī)律，從而在模糊控制結(jié)果的基礎(chǔ)上找到性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
26、s4.3、優(yōu)化結(jié)果輸出：當(dāng)滿足目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)的收斂條件或達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，輸出經(jīng)兩階段協(xié)同優(yōu)化后的最終電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保在合理時(shí)間內(nèi)獲得滿足設(shè)計(jì)要求的電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)。
27、s5、對(duì)優(yōu)化后的電子槍進(jìn)行綜合性能評(píng)估與均勻性分析：提取電子注在注腰位置處的窄邊尺寸wtact、寬邊尺寸wwact、電流iact，計(jì)算其與期望值的相對(duì)偏差；分析注腰截面電子的密度分布均勻性，計(jì)算窄邊密度比dn和寬邊密度比dw；評(píng)估電子注層流性指標(biāo)；同時(shí)進(jìn)行裝配誤差冗余度分析，通過(guò)仿真陰極位置偏移下電子注參數(shù)的變化，確保設(shè)計(jì)容差滿足工程要求；
28、s6、若性能評(píng)估結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，則輸出最終電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括陰極拋物面方程系數(shù)、聚焦極樣條節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、陽(yáng)極孔尺寸、各電極相對(duì)位置；根據(jù)輸出的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在cst軟件中自動(dòng)生成三維電子槍模型，并進(jìn)行驗(yàn)證仿真，確保電子注的宏觀參數(shù)與電子注性能均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)；將成功設(shè)計(jì)存入電子槍數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)有電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)、歷史優(yōu)化記錄，支持按電壓、電流、陰極尺寸多條件組合查詢與匹配，支持后續(xù)設(shè)計(jì)復(fù)用。
29、進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供以下優(yōu)選技術(shù)方案：
30、所述步驟s2中，自適應(yīng)網(wǎng)格劃分策略為：根據(jù)陰極發(fā)射面尺寸、陽(yáng)極孔尺寸及電子槍整體尺寸，自動(dòng)計(jì)算網(wǎng)格尺寸；在陰極發(fā)射面附近、陽(yáng)極孔附近及電場(chǎng)梯度大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設(shè)置可以根據(jù)模型尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整；在電子槍主體軌跡分布區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為陽(yáng)極通道尺寸的1/20。
31、所述步驟s4.1中，模糊控制器的輸入變量包括：電流偏差δi、窄邊尺寸偏差δwt、寬邊尺寸偏差δww、目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)指標(biāo)fit；輸出變量包括：聚焦極-陽(yáng)極距離調(diào)整量δl、陰極曲率調(diào)整量δr、聚焦極樣條節(jié)點(diǎn)調(diào)整量δp，聚焦極開口尺寸調(diào)整量δf。
32、所述步驟s4.1中，通過(guò)定義動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)，采用公式計(jì)算自適應(yīng)調(diào)整因子，實(shí)現(xiàn)誤差等級(jí)的動(dòng)態(tài)縮放，使優(yōu)化系統(tǒng)能夠根據(jù)收斂狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化策略。動(dòng)態(tài)調(diào)整系數(shù)的初始化值為1，隨目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)減小而自適應(yīng)減小，當(dāng)目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)fit<0.5時(shí)，減小至0.1，當(dāng)fit<0.2時(shí)，進(jìn)一步減小至0.01，實(shí)現(xiàn)從粗調(diào)到精調(diào)的自適應(yīng)過(guò)渡。
33、本發(fā)明方法支持單邊壓縮與雙邊壓縮兩種帶狀注電子槍構(gòu)型；對(duì)于雙邊壓縮構(gòu)型，陰極采用二維拋物面設(shè)計(jì)，其曲面方程表示為：
34、；
35、其中a1、a2分別為寬邊和窄邊的拋物線系數(shù)，通過(guò)基于條件判斷的模糊控制器獨(dú)立調(diào)整，實(shí)現(xiàn)寬邊與窄邊壓縮比的自適應(yīng)優(yōu)化。
36、所述電子槍數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)內(nèi)容包括：電子槍結(jié)構(gòu)參數(shù)（陰極尺寸、聚焦極節(jié)點(diǎn)、陽(yáng)極尺寸）、設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)（電壓、電流、注腰尺寸）、歷史優(yōu)化記錄（feedbackdata文件）；支持按電壓、電流、陰極尺寸等多條件組合查詢與匹配。
37、本發(fā)明的有益效果在于：
38、1.采用基于動(dòng)態(tài)精度控制的模糊控制參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，通過(guò)if-else條件判斷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模糊邏輯，引入動(dòng)態(tài)自適應(yīng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)誤差等級(jí)的智能縮放，在優(yōu)化初期采用較大調(diào)整步長(zhǎng)快速逼近目標(biāo)，在優(yōu)化后期自動(dòng)切換為精細(xì)微調(diào)，有效平衡了收斂速度與優(yōu)化精度。
39、2.提出14維參數(shù)調(diào)整策略，針對(duì)帶狀注電子槍的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)窄邊聚焦極位置、開口尺寸等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行逐步優(yōu)化，確保電子注在注腰位置處的分布均勻性和層流性。
40、3.將多目標(biāo)規(guī)劃、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分與基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的模糊控制有機(jī)結(jié)合，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、參數(shù)化建模和動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高壓縮比帶狀注電子槍的高效自動(dòng)化設(shè)計(jì)，顯著縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)精度。
41、4.引入強(qiáng)化學(xué)習(xí)精調(diào)階段，與模糊控制粗調(diào)形成協(xié)同。強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法能在模糊控制給出的較優(yōu)解附近，通過(guò)cst-matlab聯(lián)合仿真平臺(tái)自主學(xué)習(xí)更精細(xì)的微調(diào)策略，克服了固定規(guī)則優(yōu)化可能陷入局部最優(yōu)的局限，進(jìn)一步提升了電子注微觀性能的優(yōu)化極限。
42、5.所提方法已通過(guò)仿真驗(yàn)證，可設(shè)計(jì)出多種不同壓縮比和電流等級(jí)的帶狀注電子槍，其注腰尺寸、電子注層流性等關(guān)鍵指標(biāo)均滿足高功率高頻段微波器件的應(yīng)用需求。