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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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 Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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: TS VŨ VIỆT VŨ THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên 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 ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng” thầy giáo TS Vũ Việt Vũ hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tơi Tất nội dung luận văn trung thực chưa công bố (Trừ phần tham khảo nêu rõ luận văn) Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày 25 tháng năm 2014 Học viên Vũ Lê Hải ii LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật Điện tử, thân tác giả thầy giáo – cô giáo trang bị cho kiến thức chun mơn Cơng cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước, với phát triển ngành Điện tử viễn thơng nói chung kỹ thuật anten hệ thống vơ tuyến điện nói riêng ngày hồn thiện hơn, góp phần quan trọng cơng xây dựng bảo vệ Tổ quốc Đểgóp phần vào phát triển kỹ thuật anten hệ thống vô tuyến điện, tác giả chọn luận văn có tên đề tài: “Nghiên cứu thuật tốn di truyền ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng” nhằm mục đích kiểm định, nâng cao chất lượng đào tạo, đóng góp phần nhỏ vào việc phát triển nghiên cứu tạo hứng thú cho bạn sinh viên học mơn anten truyền sóng Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận văn,tác giả xin chân thành cảm giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Vũ Việt Vũ, thầy giáo TS Đào Huy Du, giáo Th.S Đồn Thanh Hải thầy - cô giáo môn điện tử viễn thông – khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên.Đến đề tài luận văn tác giả hoàn thành Trong trình nghiên cứu thực đề tài kinh nghiệm vốn hiểu biết hạn chế.Vì vậy, khơng tránh khỏi thiếu xót tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo – cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn tác giả hoàn thiện Tác giả xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 25 tháng năm 2014 Tác giả luận văn Vũ Lê Hải MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa …………………………………………………………… Báo cáo việc tiếp thu, bổ sung, chỉnh sửa luận văn thạc sĩ theo nghị Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ Lời cam đoan …………………………………………………………… Lời cảm ơn ……………………………………………………………… Mục lục ………………………………………………………………… Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ………………………………… Danh mục bảng ………………………………………………………… Danh mục hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị …) ……………………… Lời nói đầu ……………………………………………………………… MỞ ĐẦU ……………………………………………………………… NỘI DUNG …………………………………………………………… Chương Cơ sở lý thuyết …………………………………………… 1.1 Giới thiệu sơ lược anten ……………………………………… 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển anten …………………………… 1.1.2 Hệ thống thu phát ……………………………………………… 1.1.3 Vị trí anten kỹ thuật vơ tuyến điện ………………… 1.1.4 Những yêu cầu anten ……………………………… 1.1.4.1 Tính định hướng ……………………………………………… 1.1.4.2 Phối hợp trở kháng …………………………………………… 1.1.4.3 Dải tần ………………………………………………………… 1.1.4.4 Tính phân cực ………………………………………………… 1.2 Lý thuyết Anten ……………………………………… 1.2.1 Q trình xạ sóng điện từ ………………………………… 1.2.2 Vận tốc lan truyền sóng điện từ ……………………………… 1.2.3 Dải tần dải tần công tác anten ………………………… 1.2.3.1 Dải thông tần …………………………………………………… 1.2.3.2 Dải tần cơng tác ………………………………………………… 1.2.4 Hệ phương trình Maxwell ……………………………………… 1.2.5 Hệ số tác dụng định hướng D hệ số tăng ích G …………… 1.2.5.1 Hệ số tác dụng định hướng …………………………………… 1.2.5.2 Hệ số tăng ích anten ……………………………………… i ii iii vii viii ix xii 4 7 8 8 10 14 14 15 15 19 20 21 1.3 Phân loại loại anten thông dụng ………………………… 1.3.1 Phân loại anten ………………………………………………… 1.3.2 Các loại anten thông dụng ……………………………………… 1.3.2.1 Anten dàn chấn tử ……………………………………………… 1.3.2.2 Anten Yagi ……………………………………………………… 1.3.2.3 Anten loga – chu kỳ …………………………………………… 1.3.2.4 Anten khe ……………………………………………………… 1.3.2.5 Anten loa ……………………………………………………… 1.3.2.6 Anten gương …………………………………………………… Kết luận chương I ……………………………………………………… Chương 2: Anten chấn tử đối xứng ………………………………… 2.1 Anten chấn tử đối xứng …………………………………………… 2.1.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 2.1.2 Phân bố dòng điện chấn tử đối xứng …………………… 2.1.2.1 Phương pháp mômen …………………………………………… 2.1.2.2 Áp dụng phương pháp moomen tnh xác phân bố dòng điện chấn tử đối xứng ……………………………………………… 2.1.3 Trở kháng vào chấn tử …………………………………… 2.1.4 Cường độ trường vùng gần chấn tử đối xứng ………… 2.1.5 Công suất xạ phức trở kháng xạ chấn tử đối xứng …………………………………………………………………… 2.1.6 Trở kháng tương hỗ hai chấn tử ………………………… 2.1.7 Chấn tử thụ động chấn tử chủ động ……………………… 2.1.7.1 Các chấn tử định hướng ………………………………………… 2.1.7.2 Chấn tử phản xạ ………………………………………………… 2.1.7.3 Chấn tử đối xứng gập (chấn tử vòng dẹt) ……………………… 2.2 Anten Yagi ………………………………………………………… 2.2.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 2.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ………………………………… 2.2.3 Các bước tnh tốn mơ hình anten …………………………… 2.2.4 Dải thơng anten dẫn xạ …………………………………… 2.3 Tiếp điện phối hợp trở kháng cho anten …………………… 2.3.1 Tiếp điện cho chấn tử dây song hành …………………… 2.3.2 Tiếp điện cáp đồng trục ………………………………… 22 22 22 22 24 24 25 27 29 31 32 32 32 33 33 35 37 39 41 44 47 48 49 50 51 51 51 54 56 57 57 61 Kết luận chương ……………………………………………………… Chương 3: Thuật toán di truyền - Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế anten chấn tử đối xứng ……………………………………… 3.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 3.2 Thuật giải di truyền ……………………………………………… 3.2.1 Khái niệm ……………………………………………………… 3.2.1.1 Quá trình lai ghép (phép lai) …………………………………… 3.2 1.2 Quá trình đột biến (phép đột biến) …………………………… 3.2.1.3 Quá trình sinh sản chọn lọc (phép tái sinh phép chọn) … 3.2.2 Cấu trúc nhiễm sắc thể ………………………………………… 3.2.3 Quẩn thể ban đầu ……………………………………………… 3.2.4 Hàm lượng giá …………………………………………………… 3.2.5 Quá trình chọn lọc (phép chọn lọc) …………………………… 3.2.6 Các phép toán di truyền ………………………………………… 3.3 Ứng dụng thuật toán di truyền thiết kế anten chấn tử đối xứng 3.3.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 3.3.2 Phương pháp tính tốn tham số anten sử dụng thuật giải di truyền …………………………………………………………………… 3.3.2.1 Tổng quan phương pháp tính toán ………………………… 3.3.2.2 Lưu đồ thuật toán thiết kế anten Yagi ………………………… 3.3.2.3 Các bước thực tnh toán …………………………………… Kết luận chương ……………………………………………………… Chương 4: Kết mô thực nghiệm ……………………… 4.1 Kết mô ………………………………………………… 4.1.1 Trường hợp …………………………………………………… 4.1.2 Trường hợp …………………………………………………… 4.1.3 Trường hợp …………………………………………………… 4.1.4 Nhận xét ………………………………………………………… 4.2 Thực nghiệm ……………………………………………………… 4.2.1 Khảo sát đặc tính anten phần mềm PCAAD …………… 4.2.1.1 Giới thiệu phần mềm PCAAD 5.0 ……………………………… 4.2.1.2 Khảo sát đặc tính anten …………………………………… 4.2.1.2.1 Nhập thông số anten ……………………………………… 4.2.1.2.2 Kết khảo sát ……………………………………………… 64 66 66 66 66 67 68 68 72 74 74 74 76 79 79 79 79 80 81 84 85 85 85 86 87 88 88 89 89 91 91 93 4.2.1.2.3 Nhận xét ……………………………………………………… 4.2.2 Chế tạo anten …………………………………………………… 4.2.3 Khảo sát mức độ thu tn hiệu anten ……………………… 4.2.3.1 Giới thiệu phần mềm Vistumbler ……………………………… 4.2.3.2 Khảo sát anten phần mềm Vistumbler …………………… 4.2.3.3 Kết thu mức tn hiệu anten …………………………… 4.2.3.4 Nhận xét ………………………………………………………… Kết luận chương ……………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 95 95 96 96 97 99 99 100 101 103 104 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 không gian tự Cost D Speed of Light Hàm lượng giá, hàm mục tiêu 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 MoM Số sóng khơng gian tự Phương pháp mơmen Method of Moment Phần thực trở kháng vào an ten Real part Trở kháng vào DANH MỤCBẢNG Bảng 3.1 Danh sách nhiễm sắc thể hàm lượng giá 75 Bảng 3.2 Các nhiễm sắc thể xếp hạng chọn lọc 75 Bảng 4.1 Thông số anten Yagi chấn tử 85 Bảng 4.2 Thông số anten Yagi chấn tử 86 Bảng 4.3 Thông số anten Yagi 10 chấn tử 87 ... tài: Nghiên cứu thuật toán di truyền ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng nhằm tối ưu hóa cho việc thiết kế antenchấn tử đối xứng hay cụ thể anten Yagi Mục têu nghiên cứu - Nghiên cứu, tính... tham số chấn tử đối xứng, sở giải xác tốn thuận anten Yagi - Nghiên cứu thuật giải di truyền áp dụng cho toán thiết anten chấn tử đối xứng (anten Yagi) Kết mô thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu phạm... đóng góp phần nhỏ vào việc nghiên cứu phát triển ứng dụng thuật toán di truyền  Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng thuật toán di truyền vào việc tnh toán thiết kế anten chấn tử đối xứng dùng cho hệ thống