Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
VŨ LÊ HẢI
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN DI TRUYỀN
VÀ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
ANTEN CHẤN TỬ ĐỐI XỨNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
THÁI NGUYÊN - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tên tôi là: Vũ Lê Hải
Học viên lớp cao học: K14 - Kỹ thuật Điện tử - Trường ĐHKTCN Thái
Nguyên
Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu thuật toán di truyền và ứng dụng
thiết kế anten chấn tử đối xứng” do thầy giáo TS. Vũ Việt Vũ hướng dẫn là công
trình nghiên cứu của tôi. Tất cả những nội dung trong luận văn là trung thực và
chưa từng ai công bố (Trừ các phần tham khảo đã được nêu rõ trong luận văn). Các
tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 6 năm 2014
Học viên Vũ Lê Hải
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật Điện tử, bản
thân tác giả đã được các thầy giáo – cô giáo trang bị cho những kiến thức cơ bản về
chuyên môn. Công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cùng với sự phát
triển của ngành Điện tử viễn thông nói chung và kỹ thuật anten trong các hệ thống
vô tuyến điện nói riêng đã ngày càng hoàn thiện hơn, góp phần quan trọng trong
công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Đểgóp phần vào sự phát triển của kỹ thuật
anten trong các hệ thống vô tuyến điện, tác giả đã chọn luận văn có tên đề tài:
“Nghiên cứu thuật toán di truyền và ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng”
nhằm mục đích kiểm định, nâng cao chất lượng đào tạo, đóng góp một phần nhỏ
iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ………………………………….
vii
Danh mục bảng …………………………………………………………
viii
Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị …) ………………………
ix
Lời nói đầu ……………………………………………………………….
xii
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………
1
NỘI DUNG ……………………………………………………………
2
Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết ……………………………………………
4
1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về anten ………………………………………
4
1.1.1. Sơ lƣợc về lịch sử phát triển anten ……………………………
4
1.1.2. Hệ thống thu phát ………………………………………………
5
1.1.3. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện ………………….
6
1.1.4. Những yêu cầu cơ bản của anten ……………………………….
7
1.1.4.1. Tính định hướng ………………………………………………
7
1.1.4.2. Phối hợp trở kháng ……………………………………………
8
1.1.4.3. Dải tần …………………………………………………………
1.3.2.1. Anten dàn chấn tử ……………………………………………….
22
1.3.2.2. Anten Yagi ………………………………………………………
24
1.3.2.3. Anten loga – chu kỳ ……………………………………………
24
1.3.2.4. Anten khe ………………………………………………………
25
1.3.2.5. Anten loa ………………………………………………………
27
1.3.2.6. Anten gương …………………………………………………….
29
Kết luận chƣơng I ………………………………………………………
31
Chƣơng 2: Anten chấn tử đối xứng …………………………………
32
2.1. Anten chấn tử đối xứng ……………………………………………
32
2.1.1. Giới thiệu …………………………………………………………
32
2.1.2. Phân bố dòng điện trên chấn tử đối xứng ……………………
33
2.1.2.1. Phương pháp mômen ……………………………………………
33
2.1.2.2. Áp dụng phương pháp moomen tính chính xác phân bố dòng
điện trên chấn tử đối xứng ……………………………………………….
35
2.1.3. Trở kháng vào của chấn tử ……………………………………
37
2.1.4. Cƣờng độ trƣờng ở vùng gần của chấn tử đối xứng …………
v
Kết luận chƣơng 2 ………………………………………………………
64
Chƣơng 3: Thuật toán di truyền - Ứng dụng thuật toán di truyền
thiết kế anten chấn tử đối xứng ………………………………………
66
3.1. Giới thiệu …………………………………………………………
66
3.2. Thuật giải di truyền ………………………………………………
66
3.2.1. Khái niệm ………………………………………………………
66
3.2.1.1. Quá trình lai ghép (phép lai) …………………………………….
67
3.2 1.2. Quá trình đột biến (phép đột biến) ……………………………
68
3.2.1.3. Quá trình sinh sản và chọn lọc (phép tái sinh và phép chọn) …
68
3.2.2. Cấu trúc nhiễm sắc thể …………………………………………
72
3.2.3. Quẩn thể ban đầu ………………………………………………
74
3.2.4. Hàm lƣợng giá ……………………………………………………
74
3.2.5. Quá trình chọn lọc (phép chọn lọc) ……………………………
74
3.2.6. Các phép toán di truyền …………………………………………
76
3.3. Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế anten chấn tử đối xứng
79
89
4.2.1.2. Khảo sát đặc tính của anten ……………………………………
91
4.2.1.2.1. Nhập thông số của anten ………………………………………
91
4.2.1.2.2. Kết quả khảo sát ………………………………………………
93
vi
4.2.1.2.3. Nhận xét ……………………………………………………….
95
4.2.2. Chế tạo anten …………………………………………………….
95
4.2.3. Khảo sát mức độ thu tín hiệu của anten ……………………….
96
4.2.3.1. Giới thiệu phần mềm Vistumbler ……………………………….
96
4.2.3.2. Khảo sát anten bằng phần mềm Vistumbler …………………….
97
4.2.3.3. Kết quả thu mức tín hiệu của anten ……………………………
99
4.2.3.4. Nhận xét …………………………………………………………
99
Kết luận chƣơng 4 ………………………………………………………
100
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
101
TÀI LIỆU THAM KHẢO
103
PHỤ LỤC
104
Hz
Đơn vị tính tần số
Hertz
Phần ảo trở kháng vào anten
Imaginary
k
Số sóng trong không gian tự do
MoM
Phương pháp mômen
Method of Moment
Phần thực trở kháng vào an ten
Real part
Trở kháng vào
viii
DANH MỤCBẢNG
Bảng 3.1. Danh sách nhiễm sắc thể và hàm lƣợng giá 75
Bảng 3.2. Các nhiễm sắc thể đƣợc xếp hạng và chọn lọc 75
Bảng 4.1. Thông số anten Yagi 3 chấn tử 85
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ…) Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị 5
Hình 1.2. Mạch dao động thông số tập trung 9
Hình 1.3. Dàn chấn tử đồng pha 23
Hình 1.4. Anten Yagi 24
Hình 1.5. Anten loga – chu kỳ 25
Hình1.6. Anten khe nửa sóng 26
Hình 1.7. Vị trí các khe trên thành ống dẫn sóng 27
Hình 1.8. Các kiểu anten khe trên ống dẫn sóng 27
Hình 1.9. Loa H 28
Hình 1.10. Loa E 28
Hình 1.11. Loa hình tháp 28
Hình 1.12. Loa hình tròn 28
Hình 1.13. Anten gƣơng parabol 30
Hình 1.14. Anten Cassegrain 30
Hình 1.15. Anten Gregorian 31
Hình 2.1. Gần đúng phân bố dòng điện chấn tử đối xứng 35
Hình 2.2. Chấn tử đối xứng 36
Hình 2.3. Điển cần xác định trƣờng M’(x’, y’, z’) 40
Hình 2.4. Phân bố điện trƣờng tiếp tuyến trên bề mặt dậy dẫn 40
Hình 2.5. Điển kích thích điện trƣờng 41
Hình 2.6. Hệ anten đơn giản 44
Hình 2.7. Mẫu phát xạ của anten phát vô hƣớng 47
Hình 2.8. Giản đồ phƣơng hƣớng của anten chấn tử đối xứng 48
Hình 4.13. Đồ thị bức xạ dạng ARFAC anten Yagi 10 chấn tử 94
Hình 4.14. Anten Yagi chấn tử phát xạ là vòng dẹt 95
Hình 4.15. Anten Yagi chấn tử phát xạ là đối xứng 95
Hình 4.16. Các loại anten 95
xi
Hình 4.17. Anten và usb wifi TP-LINK TL-WN722N 96
Hình 4.18. Anten Yagi 10 chấn tử 96
Hình 4.19. Giao diện destop và giao diện chính của phần mềm Vistumbler 97
Hình 4.20. Khảo sát anten đẳng hƣớng của usb wifi 97
Hình 4.21. Khảo sát anten Yagi với chấn tử phát xạ là vòng dẹt 98
Hình 4.22. Khảo sát anten Yagi với chấn tử phát xạ là đối xứng 98
Hình 4.23. Mức tín hiệu ba anten sử dụng phần mềm Vistumbler 99 xii
LỜI NÓI ĐẦU
Anten là thiết bị dùng để thu sóng điện từ hoặc phát sóng điện từ ra ngoài
không gian.Anten là một bộ phận không thể thiếu được của bất kỳ một hệ thống vô
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sóng điện từ là thành phần cốt yếu của một hệ thống vô tuyến.Hạt nhân quan
trọng trong việc thu và phát sóng điện từ không có gì khác chính là anten. Anten
được ứng dụng trong tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến như phát thanh, truyền
hình, rađa, thiên văn[5].
Đối với anten phát, nó không chỉ có nhiệm vụ đơn giản là biến đổi năng lượng
điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà còn có nhiệm vụ bức xạ sóng điện từ
theo những hướng, những vùng phục vụ nhất định với các yêu cầu kỹ thuật cho
trước.Đối với anten thu, có nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhận
sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng
buộc. Sóng này sẽ được truyền theo feeder xuống máy thu.Thực tế, anten được sử
dụng với các mục đích khác nhau cũng có những yêu cầu khác nhau.
Anten chấn tử đối xứng (anten Yagi - anten dẫn xạ hay còn gọi là anten dẫn
đường) là một trong những anten được dùng rộng rãi trong vô tuyến truyền hình,
trong các tuyến thông tin chuyền tiếp và trong các đài Rađa sóng mét v.v…Anten
này được dùng phồ biến vì nó có tính định hướng tương đối tốt nhưng kích thước và
trọng lượng không lớn lắm và cấu trúc lại đơn giản. Tuy nhiên, thiết kế anten Yagi
với số chấn tử cho trước thì việc tìm kích thước và khoảng giữa các chấn tử để
anten đảm bảo các chỉ tiêu mong muốn là khá phức tạp. Hơn nữa nó không những
đòi hỏi phải nắm vững về lý thuyết và kỹ thuật anten nói chung, anten chấn tử đối
xứng, tác động qua lại giữa các chấn tử đối xứng trong hệ thống anten nói riêng mà
còn cần những phương pháp tính, những thuật toán mạnh có khả năng xử lý đồng
thời nhiều chỉ tiêu chất lượng của anten thì mới có thể cho kết quả tối ưu [1].
Ngày nay, với sự trợ giúp đắc lực của các hệ thống máy tính, các phương pháp
tính, các thuật giải hiện đại ra đời đã làm cho khả năng giải các bài toán khác nhau
trong thực tế trở nên đơn giản hơn. Tiêu biểu là phương pháp mômen (the Methode
Phạm vi nghiên cứu
- Anten làm việc dải tần 2400 ÷ 2484MHz sử dụng làm anten thusóng wifi.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm. Luận văn nghiên
cứu các phương pháp số hiện đại (phương pháp mômen, thuật giải di truyền), lý
3
thuyết anten chấn tử đối xứng, các công cụ tin học v.v…để tối ưu hoá thiết kế anten
Yagi, lập trình và mô phỏng bài toán thiết kế bằng phần mềm Matlab.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp phân tích, tổng hợp, hệ
thống hóa, khái quát hóa để xây dựng cơ sở lý luận. Sưu tầm, đọc, tra cứu, nghiên
cứu tài liệu, sách báo có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, phân tích tổng hợp hệ
thống hóa theo mục đích nghiên cứu của đề tài.
- Phương pháp quan sát: Quan sát các tham số tối ưu của anten chấn tử đối
xứng.
- Phương pháp chuyên gia: Xin ý kiến các chuyên gia để xây dựng các tham số
tối ưu của anten chấn tử đối xứng bằng thuật toán di truyền.
- Phương pháp hỗ trợ: Sử dụng phương pháp thống kê toán học và kỹ thuật xử
lý số liệu trên máy tính để phân tích, đánh giá các kết quả thu được.
6. Ýnghĩa của đề tài.
Ý nghĩa khoa học
Nhằm nghiên cứu kỹ hơn về thuật toán di truyền và ứng dụng của thuật toán di
truyền vào việc thiết kế anten, đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu và phát
triển những ứng dụng của thuật toán di truyền.
Ý nghĩa thực tiễn
Ứng dụng thuật toán di truyền vào việc tính toán và thiết kế anten chấn tử đối
xứng dùng cho các hệ thống thu phát phục vụ cho việc cải tiến và phát triển công
nghệ mới.
7. Cấu trúc của đề tài.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục. Nội
thì ở vùng xa lưỡng cực sẽ hình thành trường phát xạ.
Sau khi hoàn thành dụng cụ để chứng minh thí nghiệm của Hertz, năm
1897 Popob nhà phát minh vô tuyến điện người Nga đã dùng các dụng cụ máy làm
phương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truyền các tín
hiệu ở khoảng các 3 dặm (gần 5km).
Năm 1901: Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cách
lớn. Hệ thống này hoạt động ở tần số khoảng 60KHz.
5
Năm 1916: Trước 1916, hầu hết thông tin vô tuyến chủ yếu là điện báo.
Trong năm 1916, lần đầu tiên sử dụng tín hiệu đã điều chế biên độ để truyền tín
hiệu thoại qua sóng vô tuyến.
Khoảng năm 1924: Bắt đầu dùng các sóng ngắn (λ = 10 ÷ 100m), khi đó
người ta thường dùng các anten dây đối xứng nằm ngang trên mặt đất.
Năm 1930: Người ta tạo được nguồn phát klystron và magnetron có khả
năng phát ra tín hiệu với tần số lên đến GHz (gọi là dao động cao tần).
Năm 1954: Phát minhra máy phát lượng tử đã mở ra khả năng sử dụng
sóng ánh sáng trong liên lạc. Anten ở dải này thường là các hệ thống quang học
thông thường.
Ngày nay: Sự phát triển và ngày càng hoàn thiện của kỹ thuật anten đã góp
phần không nhỏ vào sự phát triển chung của kỹ thuật vô tuyến điện.
1.1.2. Hệ thống thu phát
Có rất nhiều loại hệ thống thu phát vô tuyến với các loại kiến trúc máy thu và
kiến trúc máy phát khác nhau. Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là
một số tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ,
hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử anten (dùng để phát hoặc thu), hệ thống
cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần bức xạ với các
yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tín hiệu (trường
hợp anten thu)[5].
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống vô tuyến điện cùng với thiết bị anten
sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràng
buộc. Sóng này sẽ được truyền theo feeder tới máy thu, còn một phần sẽ bức xạ trở
7
lại vào không gian (bức xạ thứ cấp).Yêu cầu của thiết bị anten - feeder là phải thực
hiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây ra méo
dạng tín hiệu.
Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyền
thanh, truyền hình, vô tuyến điều khiển từ xa v.v… Với các đài phát thanh và vô
tuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để cho các
máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đề có thể thu được tín hiệu của đài phát. Song anten
lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại song song với
mặt đất để các đài thu trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu lớn nhất và để giảm
nhỏ năng lượng bức xạ theo các hướng không cần thiết.Trong thông tin mặt đất
hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển v.v… thì yêu cầu anten
bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vào một góc rất hẹp
trong không gian. Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ là biến đổi năng lượng
điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấy theo những hướng
nhất định, với các yêu cầu kỹ thuật cho trước.
Ngày nay, sự phát triển của kỹ thuật trong các lĩnh vực thông tin, rada, điều
khiển v.v… đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng
điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu. Anten cần được hiểu là một
tổ hợp bao gồm nhiều hệ thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ, hoặc cảm
thụ sóng bao gồm các phần tử anten, hệ thống cung cấp tín hiệu bảo đảm việc phân
phối năng lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau, hoặc hệ thống
gia công tín hiệu.
1.1.4. Những yêu cầu cơ bản của anten
Những yêu cầu cơ bản đối với anten được xác định bởi nhiệm vụ của thiết bị
vô tuyến điện, chẳng hạn có các yêu cầu sau:
1.1.4.1. Tính định hƣớng
Anten của các đài truyền thanh, truyền hình phải phát xạ đều theo mọi phía
tụ điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm
sẽ phát sinh một từ trường biến thiên. Những điện trường, từ trường này hầu như
9
không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch. Dòng điện dịch
chuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điện nên
năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy. Còn năng lượng từ
trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn cảm.Năng lượng
của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệt trong các dây dẫn và
điện môi của mạch.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1.2b) thì dòng điện dịch sẽ không
chỉ dịch chuyển trong khoảng không gian giữa hai má tụ điện mà một bộ phận sẽ
lan tỏa ra môi trường ngoài và có thể truyền tới những điểm nằm cách xa nguồn
(nguồn điện trường là các điện tích biến đổi trên hai má tụ điện). Hình 1.2. Mạch dao động thông số tập trung
Nếu mở rộng hơn nữa kích thước của tụ điện (hình 1.2 c,d) thì dòng điện dịch
sẽ lan tỏa ra càng nhiều và tạo ra điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong
khoảng không gian bên ngoài. Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽ
thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trên
hai má tụ điện nữa. Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụ
điện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tích trên
hai má tụ điện. Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đường sức ấy
sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụ điện. Nhưng
nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thời điểm nào đó,
10
điện trường tại M có thể đạt một giá trị nhất định trong lúc điện tích trên hai má tụ
điện biến đổi qua lại giá trị 0. Khi ấy các đường sức điện trường sẽ không còn ràng
buộc với các điện tích nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian, nghĩa là đã
hình thành một trường xoáy. Theo quy luật của điện trường biến thiên thì điện
hòa tại các điểm khác nhau của không gian khi các dao động ấy đã được sinh ra và
xác lập ở mọi nơi.
Giả sử ở điểm z = 0 có tín hiệu biến đổi theo thời gian với quy luật ƒ(t).
Khảo sát ở các điểm khác nhau trên trục z, khi t > 0, tín hiệu ấy có dạng như
thế nào. Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm ƒ(t,z) nếu biết hàm ƒ(t,0) và biết các đặc
tính của môi trường mà sự truyền sóng xảy ra trong đó.
Áp dụng tích phân Fourie:
(1.3)
A(ω) là mật độ phổ của hàm ƒ(t). Theo (1.3), hàm ƒ(t,0) là tổng của vô số các
dao động điều hòa với tần số ω và biên độ .
Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần
tương ứng với một sóng.
Vì vậy hàm:
ƒ(t,z)
(1.4)
Ta thấy rằng sự truyền tín hiệu theo một hướng cho trước có liên quan đến sự
lan truyền của tất cả các thành phần điều hòa của nó.
Vì hệ số pha là hàm số của tần số, nghĩa là , nên tích phân
theo ω trong (1.4) có thể chuyển thành tích phân theo .
(1.5)
Giả sử phổ thực của tín hiệu được giới hạn bởi các tần số và
, ngoài ra ( là tần số trung bình của phổ). Khi đó
tích phân trong (1.4)sẽ được lấy trong khoảng , còn
tích phân trong (1.5)sẽ được lấy trong khoảng , ở đây
Copyright: Tài liệu đại học ©