等离子体填充螺旋线行波管的仿真分析及优化设计

This project applies Finite-Difference Time-Domain method and Particle-in-Cell technique together with Particle Swarm Optimization technique to simulate and analyze plasma filled helix traveling wave tubes to research their mechanism and get their characteristics. The main goal of the research work is to develop the large scale parallel code for high power, wide-band, high efficiency plasma filled helix traveling wave tubes, and find the optimal value of the key parameters with the help of optimal method, for example, the geometry of the slow-wave structure, plasma parameter, etc.. This research work will be conducted on parallel cluster with high performance graphic processor. The achievements of this project will build a solid foundation for the development of other types of high performance microwave tubes and will play a important role in the region of communication, electronics and defense.

本项目采用时域有限差分方法和粒子模拟方法及粒子群优化技术对等离子体填充螺旋线行波管进行电磁仿真和分析，研究其工作机理，充分发挥时域有限差分方法在求解复杂电磁系统问题方面的优势及易于并行处理的特点。研究重点为开发大功率、宽频带、高效率等离子体填充螺旋线行波管的大型并行计算软件，并通过优化算法寻找最佳关键参数，如慢波结构几何尺寸，等离子体参数等。针对该问题模型复杂，参数众多的特点，采用粒子群优化方法进行寻优计算，找到相关设计参数的最佳值。这些研究工作将在带有高性能图形处理器的并行集群上开展以获得高效率代码。本课题的研究工作旨在发展等离子体填充螺旋线行波管的高精度高效优化设计软件，为发展其它类型高性能微波管仿真设计软件打下坚实基础，同时也为微波管的特性分析和优化设计积累知识和经验。本项目的成果将对通讯、电子和国防等相关领域的发展起到很大的推动作用，有重要的理论意义和广泛的应用前景。

高功率微波器件有极其重要的军民应用需求。这类器件的仿真和设计是国民经济中亟待解决的问题。本项目采用时域有限差分方法和粒子模拟方法及粒子群优化技术对等离子体填充螺旋线行波管进行电磁仿真和分析，研究其工作机理，充分发挥时域有限差分方法在求解复杂电磁系统问题方面的优势及易于并行处理的特点。研究重点为开发大功率、宽频带、高效率等离子体填充螺旋线行波管的大型并行计算软件，并通过优化算法寻找最佳关键参数，如慢波结构几何尺寸，等离子体参数等。针对该问题模型复杂，参数众多的特点，采用粒子群优化方法进行寻优计算，找到相关设计参数的最佳值。.通过本项目的科研工作找到了对极为复杂的等离子体填充螺旋线行波管进行模拟、分析和优化的有效手段，为等离子体填充螺旋线行波管的设计工作提供依据，同时对在GPU并行集群环境中采用MPI-CUDA方法开发高效FDTD方法电磁场数值计算程序的可行性进行了验证，开发的代码最高达到了83倍的加速比。.本项目的成果也将对其它高性能微波管的研发奠定坚实基础，为通讯、电子和国防等相关领域的发展起到很大的推动作用，有重要的理论意义和广泛的应用前景。