基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的微波均衡器建模與仿真

大功率行波管等微波管是雷達等電子裝備的核心器件，其技術(shù)水平?jīng)Q定了電子裝備的戰術(shù)性能。但是由于大功率微波管的增益波動(dòng)較大，在等激勵輸入的情況下，不能使頻帶內所有點(diǎn)均達到飽和輸出，這樣會(huì )造成輸入信號產(chǎn)生諧波和互調分量，導致微波真空管次品率上升，更重要的是直接影響了現代電子設備的性能，特別是難以滿(mǎn)足現代戰爭的高環(huán)境可靠性要求。因此，需要使用大功率微波管均衡技術(shù)，即增加一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò )，使其傳輸特性與微波管的傳輸特性相補償，這樣行波管的輸出功率波動(dòng)減至最小，該微波網(wǎng)絡(luò )就是微波均衡器。
　　而多諧振腔結構的均衡器是具有復雜微波結構的器件，由于其結構的復雜性使得其嚴格數學(xué)表示非常復雜，無(wú)論用解析方法還是數值方法，直接的求解都很難進(jìn)行，而對各種非理想因素進(jìn)行簡(jiǎn)化后的計算結果誤差又太大，實(shí)用價(jià)值不高。在無(wú)法得到其準確電磁特性的條件下，無(wú)法對調試工作進(jìn)行有效的指導，優(yōu)化設計更無(wú)從談起。這一問(wèn)題對于目前微波工程中普遍應用的復雜微波結構來(lái)講，也是普遍存在的，而且也是一個(gè)急需解決的問(wèn)題，因此為了提高設計速度，節省設計成本，對均衡器建立模型，用于計算機輔助設計顯得越來(lái)越重要。
　　微波均衡器的傳輸特性主要決定于它本身的結構尺寸和頻率，它們構成非線(xiàn)性映射關(guān)系，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可以對任何線(xiàn)性和非線(xiàn)性的函數關(guān)系進(jìn)行快速、準確的模擬，并且具有良好的聯(lián)想能力。故可以采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對均衡器進(jìn)行建模。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練過(guò)程需要花費一定的時(shí)間，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型一旦訓練完成，就可以在很短的時(shí)間內得出結果，且不會(huì )犧牲精度，因此采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型輔助微波均衡器的設計將會(huì )大大提高設計速度，節省調試時(shí)間。
1 均衡器基本單腔子結構
　　圖1是吸收型同軸微波幅度均衡器的單子結構圖，多子結構級聯(lián)的情況以此為基礎。同軸諧振腔的一端與主傳輸線(xiàn)相連，另一端是可調短路活塞，它可調節諧振腔腔長(cháng)，諧振腔內是插入主傳輸線(xiàn)的可調耦合探針，通過(guò)探針將主傳輸線(xiàn)內的能量耦合入諧振腔，改變諧振腔腔長(cháng)和探針插入深度可調節諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數Q值等。另外，還可以在諧振腔側壁的適當位置插入吸收材料制成的衰減棒等。

但由于單子結構帶寬和吸收衰減幅度的有限性，為了能在較寬頻帶內實(shí)現對大功率微波管的高精度均衡，必須采用多級子結構級聯(lián)的形式。所以在工程實(shí)踐中，針對均衡器的復雜特性提出了以海量數據庫為基礎的網(wǎng)絡(luò )子結構互聯(lián)分析方法。在數據庫的建立過(guò)程中，利用網(wǎng)絡(luò )分析儀對均衡器單腔子結構進(jìn)行S參數的測量，建立相應的S參數測量數據庫。此數據庫中每個(gè)測量點(diǎn)對應的均衡器物理參數為：諧振腔的腔長(cháng)Lc，耦合探針插入傳輸線(xiàn)深度Ls，介質(zhì)微擾插入諧振腔深度La。由工程實(shí)踐可知，三個(gè)物理參數對諧振頻率點(diǎn)的頻率影響是有規律可循的。通常，諧振頻率隨Lc的增大而降低；諧振頻率隨Ls的增大而降低，同時(shí)衰減增大；諧振頻率隨La的增大而降低，同時(shí)衰減減小。
2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型設計
2.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )
　　RBF（Radius Base Function）是最近十年興起的一種新型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，它具有網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò )訓練速度快（與BP算法相比，RBF網(wǎng)絡(luò )的訓練算法可以快一個(gè)數量級）、仿真精度高等優(yōu)點(diǎn)。RBF網(wǎng)絡(luò )同時(shí)具有良好的局部性，能提供平滑、性能優(yōu)秀的離散數據內插特性，由該網(wǎng)絡(luò )構成的系統是有界、穩定的。
　　RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的結構如圖2所示，它是一種兩層網(wǎng)絡(luò )，第一層由RBF神經(jīng)元作為隱神經(jīng)元（傳輸函數為高斯函數），圖中a1i的表示向量a1的第i個(gè)元素；b1i表示向量b1的第i個(gè)元素(即第i個(gè)RBF神經(jīng)元的方差)；iW1表示矩陣W1的第i行，即第i個(gè)神經(jīng)元的中心。第二層由線(xiàn)性神經(jīng)元(傳輸函數為線(xiàn)性函數)作為輸出神經(jīng)元。其中S1、S2分別表示第一層和第二層神經(jīng)元的數目。