Nghiên cứu thuật toán di truyền và ứng dụng thiết kế Anten chấn tử đối xứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60. 52. 02. 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. VŨ VIỆT VŨ THÁI NGUYÊN - 2014 i LỜI CAM ĐOAN 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 vào việc phát triển nghiên cứu mới và tạo hứng thú cho các bạn sinh viên học môn anten và truyền sóng. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn,tác giả xin chân thành cảm sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Vũ Việt Vũ, thầy giáo TS. Đào Huy Du, cô giáo Th.S Đoàn Thanh Hải và các thầy - cô giáo trong bộ môn điện tử viễn thông – khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên.Đến nay đề tài luận văn của tác giả đã được hoàn thành. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài do kinh nghiệm và vốn hiểu biết còn hạn chế.Vì vậy, không tránh khỏi những thiếu xót tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo – cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn của tác giả được hoàn thiện hơn. Tác giả xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 25 tháng 6 năm 2014 Tác giả luận văn Vũ Lê Hải iii MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa ……………………………………………………………. Báo cáo về việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị quyết của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ Lời cam đoan ……………………………………………………………. i Lời cảm ơn ………………………………………………………………. ii Mục lục ………………………………………………………………… 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 ………………………………………………………… 8 1.1.4.4. Tính phân cực ………………………………………………… 8 1.2. Lý thuyết cơ bản về Anten ……………………………………… 8 1.2.1. Quá trình bức xạ sóng điện từ ………………………………… 8 1.2.2. Vận tốc lan truyền sóng điện từ ……………………………… 10 1.2.3. Dải tần và dải tần công tác của anten ………………………… 14 1.2.3.1. Dải thông tần …………………………………………………… 14 1.2.3.2. Dải tần công tác ………………………………………………… 15 1.2.4. Hệ phƣơng trình Maxwell ………………………………………. 15 1.2.5. Hệ số tác dụng định hƣớng D và hệ số tăng ích G …………… 19 1.2.5.1. Hệ số tác dụng định hướng …………………………………… 20 1.2.5.2. Hệ số tăng ích của anten ……………………………………… 21 iv 1.3. Phân loại và các loại anten thông dụng ………………………… 22 1.3.1. Phân loại anten ………………………………………………… 22 1.3.2. Các loại anten thông dụng ……………………………………… 22 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 ………… 39 2.1.5. Công suất bức xạ phức và trở kháng bức xạ của chấn tử đối xứng …………………………………………………………………… 41 2.1.6. Trở kháng tƣơng hỗ giữa hai chấn tử ………………………… 44 2.1.7. Chấn tử thụ động và chấn tử chủ động ……………………… 47 2.1.7.1. Các chấn tử định hướng ………………………………………… 48 2.1.7.2. Chấn tử phản xạ ………………………………………………… 49 2.1.7.3. Chấn tử đối xứng gập (chấn tử vòng dẹt) ………………………. 50 2.2. Anten Yagi …………………………………………………………. 51 2.2.1. Giới thiệu ………………………………………………………… 51 2.2.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ………………………………… 51 2.2.3. Các bƣớc tính toán mô hình anten …………………………… 54 2.2.4. Dải thông của anten dẫn xạ …………………………………… 56 2.3. Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho anten …………………… 57 2.3.1. Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành ……………………. 57 2.3.2. Tiếp điện bằng cáp đồng trục ………………………………… 61 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 3.3.1. Giới thiệu ………………………………………………………… 79 3.3.2. Phƣơng pháp tính toán tham số anten sử dụng thuật giải di truyền …………………………………………………………………… 79 3.3.2.1. Tổng quan về phương pháp tính toán ………………………… 79 3.3.2.2. Lưu đồ thuật toán thiết kế anten Yagi ………………………… 80 3.3.2.3. Các bước thực hiện tính toán …………………………………… 81 Kết luận chƣơng 3 ……………………………………………………… 84 Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ………………………. 85 4.1. Kết quả mô phỏng ………………………………………………… 85 4.1.1. Trƣờng hợp 1 ……………………………………………………. 85 4.1.2. Trƣờng hợp 2 ……………………………………………………. 86 4.1.3. Trƣờng hợp 3 ……………………………………………………. 87 4.1.4. Nhận xét ………………………………………………………… 88 4.2. Thực nghiệm ………………………………………………………. 88 4.2.1. Khảo sát đặc tính anten bằng phần mềm PCAAD …………… 89 4.2.1.1. Giới thiệu phần mềm PCAAD 5.0 ……………………………… 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 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TừViết Tắt Tên Tiếng Việt Tên Tiếng Anh λ Bước sóng Wavelength Ω Đơn vị tính điện trở Ohm * Liên hợp phức c Vận tốc ánh sáng trong không gian tự do Speed of Light Cost Hàm lượng giá, hàm mục tiêu D Hệ số định hướng GA Thuật toán di truyền (Thuật giải di truyền) Genetic Algorithm 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 Bảng 4.2. Thông số anten Yagi 7 chấn tử 86 Bảng 4.3. Thông số anten Yagi 10 chấn tử 87 [...]... đề cấp thiết trên tác giả đã đưa ra đề tài: Nghiên cứu thuật toán di truyền và ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng nhằm tối ưu hóa cho việc thiết kế antenchấn tử đối xứng hay cụ thể là anten Yagi 2 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, tính toán chính xác các tham số của chấn tử đối xứng, trên cơ sở đó giải quyết chính xác bài toán thuận về anten Yagi - Nghiên cứu thuật giải di truyền và áp dụng cho... bài toán thiết anten chấn tử đối xứng (anten Yagi) Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 3 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu - Anten chấn tử đối xứng cụ thể là anten Yagi - Thuật giải di truyền  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. .. 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. .. thường anten làm nhiệm vụ cho cả phát và thu - Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn và anten sóng cực ngắn - Cấu trúc của anten: Anten có hướng và anten vô hướng - Phương pháp cấp điện cho anten: Anten đối xứng và anten không đối xứng 1.3.2 Các loại anten thông dụng 1.3.2.1 Anten dàn chấn tử Anten dàn chấn tử hay còn gọi là dàn anten do hai hay nhiều chấn tử đơn... nòi và chất lượng chọn lọc Những năm gần đây, thuật toán di truyền được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực anten Trong phạm vi nghiên cứu tác giả đã tìm hiểu về phương pháp mômen và thuật toán di truyền để áp dụng cho bài toán tối ưu thiết kế anten chấn tử đối xứng cụ thể là anten Yagi Ngoài ra, tác giả còn thực hiện xây dựng nên giao di n phần mềm tiện ích cho người sử dụng và thực hiện thiết kế. .. 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 dung chính của đề tài được trình bày trong 4 chương Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Anten chấn tử đối xứng Chương 3: Thuật toán di truyền - Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế anten chấn. .. 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. .. 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, ... Thuật toán di truyền thuộc lớp tối ưu toàn cực, có thể tối ưu đồng thời nhiều mục tiêu, và rất phù hợp cho vấn đề tối ưu các ràng buộc Mục đích của thuật giải di truyền là tìm các tham số để cực đại hoặc cực tiểu hàm đối tượng Với những đặc tính này, thuật giải di truyền có rất nhiều ưu điểm đối với các bài toán tối ưu [2,3] .Thuật toán di truyền đã được ứng dụng cho việc thiết kế anten FIPA [4], anten Loga... kỹ thuật đã biết Ưu điểm của phương pháp này là nó tương đối đơn giản, dễ sử dụng, và tốc độ tính toán nhanh Trong những năm gần đây, thuật giải di truyền được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực và đặc biệt là lĩnh vực anten Thuật giải di truyền thuộc nhóm kỹ thuật trí tuệ nhân tạo nhằm mô phỏng các hiện tượng tự nhiên: kế thừa và đấu tranh sinh tồn để cải thiện giống nòi và chất lượng Thuật toán . cấp thiết trên tác giả đã đưa ra đề tài: Nghiên cứu thuật toán di truyền và ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng nhằm tối ưu hóa cho việc thiết kế antenchấn tử đối xứng hay cụ thể là anten. toán thiết anten chấn tử đối xứng (anten Yagi). Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 3. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.  Đối tượng nghiên cứu - Anten chấn tử đối xứng cụ thể là anten. 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. 