Study on the Optimization of Virtual Cathode Oscillators for High Power Microwaves Testing

Abstract

This thesis studies the energy behavior of the Virtual Cathode Oscillators (Vircators). The overall objective focuses on determining geometric and functional parameters to maximize the energy radiated into a specific band of frequency. Initially, the problem was addressed through numerical optimization. A computational tool integrating an evolutionary algorithm with a simulator of particles was developed. The main advantage of this approach is the fact that Vircator of different typologies can be optimized. A second approach focuses on solving the problem through classic optimization techniques. The first step was to determine a mathematical model that relates the Vircator design parameters with the energy output. Then, the mathematical model was studied and optimized. Principal advantages of this approach are the low computational complexity and the fact that the model allows studying and understanding Vircators physics. The approaches presented in this thesis were validated by computational simulation and reports of experiments available in the literature. The main result of this thesis was the identification of the role of the design parameters on the energy response of the Vircators. Additionally, it was found two methodologies to optimize the Vircators’s energy responses at a determined frequency.

En esta tesis se estudia el comportamiento energético de los osciladores de cátodo virtual (Vircators). El objetivo principal es identicar los parámetros de diseño que permiten maximizar la energía radiada en una banda especifica de frecuencia. El problema es abordado, inicialmente, mediante optimization numérica. En este caso, fue construida una herramienta computacional basada en algoritmos evolutivos y simulación computacional de partículas. Esta solución es funcional y no requiere de un modelo matemático del problema. Su principal ventaja es la posible inserción de variables de diseño adicionales y que podría realizar la optimización de cualquier tipo simulable de Vircator. En una segunda fase, el problema fue abordado y solucionado bajo un enfoque de optimization clásico. Para esto, como punto de partida fue necesario determinar un modelo matemático del problema. La principal ventaja de este enfoque es el bajo costo computacional. Los dos enfoques presentados en esta tesis fueron validados mediante simulación computacional y reportes experimentales presentes en la literatura. El principal resultado de esta tesis fue la identificación del papel de los parámetros de diseño en la respuesta energética de los Vircators. Además, se determinaron dos metodologías para optimizar las respuestas de energía de los Vircators a una frecuencia determinada.