一种基于NSGA‑Ⅱ的微波窗快速优化设计方法

摘要

本发明属于微波电真空领域微波窗的模拟设计与优化技术领域，具体涉及一种基于NSGA‑Ⅱ的微波窗快速优化设计方法。本发明结合模式匹配法与NSGA‑Ⅱ，并根据微波窗的性能要求，提出了两个特有的互不矛盾，相互协调的目标优化函数，充分发挥了GA算法优胜劣汰的机制，保证算法逼近全局最优解，以实现各类微波窗的快速优化设计。本发明的有益效果是：实现各类微波窗的快速优化设计，解决了微波窗设计过程中采用纯数值电磁仿真软件存在的耗时长、计算机资源消耗大的问题，以及采用模式匹配法结合传统单目标优化GA算法不能满足微波窗宽频带的要求的局限。同时，本发明也适用于其他宽带微波器件的优化设计。

主权项

一种基于NSGA‑Ⅱ的微波窗快速优化设计方法，包括以下步骤：S1、初始化微波窗结构参数，确定优化参数及其范围，设定模式匹配法计算相关参数：在对确定微波窗结构进行优化计算时，首先初始化微波窗结构参数，同时确定优化参数以及每个优化参数的范围，优化参数构成式1中决策向量X；给出模式匹配法计算所需的微波窗工作频率范围[f_min,f_max]，频率采样步长Δf和模式数m；$g=\underset{x}{min}\left\{\underset{f_{\min }<f_i<f_{max}}{max}\right[\left|\Gamma (x,f)\right|\left]\right\}---\left(1\right)$S2、设定NSGA‑Ⅱ算法参数：设定NSGA‑Ⅱ算法参数包括设定种群数目N、最大进化代数M、交叉率P_c和变异率P_m,设置变量s记录迭代次数，即遗传算法基本参数；然后再结合S1，NSGA‑Ⅱ算法将在给定的优化参数范围内随机产生N组决策向量x的集合，将其记为P＝{x_k|k＝1,2,…,N}，其中x_k＝[x₁,x₂,…,x_v]^T，v表示所要优化的参数数目；S3、确定目标函数：根据电压驻波比VSWR的定义$VSWR=\frac{1+\left|{\Gamma }_L\right|}{1-\left|{\Gamma }_L\right|}\ge 1,0\le \left|{\Gamma }_L\right|\le 1,---\left(2\right)$其中，Γ_L是器件端口反射系数，选择第一个目标函数为g₁$g_1=min\left(\underset{f_{max}\le f_i\le f_{\min }}{\Sigma }{\mathrm{VSWR}}_{f_i}\right)---\left(3\right)$式中，f_min,f_max，f_i同式1，表示采样频点f_i对应的电压驻波比；该目标函数使得在频带范围内，各个采样点对应电压驻波比之和具有最小值；为了保证带宽，在第一个目标函数的基础上，增加第二个目标函数g₂$g_2=min\left(\underset{f_{max}\le f_i\le f_{\min }}{\Sigma }{\delta }_{f_i}\right)---\left(4\right)$其中，f_min,f_max，f_i同式1，定义为${\delta }_{f_i}=\left\{\begin{array}{c}1,{\mathrm{VSWR}}_{f_i}\ge C\\ 0,{\mathrm{VSWR}}_{f_i}<C\end{array}\right.---\left(5\right)$式6中1＜C≤1.1，当某一频点f_i对应电压驻波比大于给定阈值时，取值为1，反之，取值为0；目标函数g₂使得在采样频点内VSWR超过阈值的频点数目最少；取目标函数g₂的阈值为Q₀，0.2Q＜Q₀＜Q，Q即采样频点数目；S4、并行调用模式匹配法计算集合P中N组决策向量的目标函数值：NSGA‑2算法调用模式匹配法计算集合P中每个决策向量的目标函数值时，将此过程并行化处理，其中x的下标i1、i2、i3、i4、i5、i6表示并行处理时对集合P中x的分组边界序号；S5、根据S4的结果，取当前集合P中的最优解，判断其对应的目标函数值g₂是否小于等于Q₀；若是，输出结果，结束；若否，进一步判断NSGA‑II算法是否迭代到指定次数，若达到，结束当前迭代，调整优化参数范围，或增加迭代次数，重复S1‑S5，直到找到满足要求的解为止；若未迭代到指定次数，NSGA‑II算法对集合P执行遗传操作，形成新的优化参数集合P',令P＝P'，转到S4，重复执行S4、S5。