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

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 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: 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 iii 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 …………………………………………………………… i Lời cảm ơn ……………………………………………………………… Mục lục ………………………………………………………………… ii iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt ………………………………… vii Danh mục bảng ………………………………………………………… viii Danh mục hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị …) ……………………… ix Lời nói đầu ……………………………………………………………… xii MỞ ĐẦU ……………………………………………………………… NỘI DUNG …………………………………………………………… Chƣơng Cơ sở lý thuyết …………………………………………… 1.1 Giới thiệu sơ lƣợc anten ……………………………………… 1.1.1 Sơ lƣợc 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 phƣơng trình Maxwell ……………………………………… 1.2.5 Hệ số tác dụng định hƣớng 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 ……………………………………… 4 7 8 8 10 14 14 15 15 19 20 21 iv 1.3 Phân loại loại anten thông dụng ………………………… 22 1.3.1 Phân loại anten ………………………………………………… 1.3.2 Các loại anten thông dụng ……………………………………… 1.3.2.1 Anten dàn chấn tử ……………………………………………… 22 22 1.3.2.2 Anten Yagi ……………………………………………………… 24 1.3.2.3 Anten loga – chu kỳ …………………………………………… 1.3.2.4 Anten khe ……………………………………………………… 24 25 1.3.2.5 Anten loa ……………………………………………………… 1.3.2.6 Anten gương …………………………………………………… 27 29 Kết luận chƣơng I ……………………………………………………… 31 32 32 Chƣơng 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 …………………………………………… 22 32 33 33 2.1.2.2 Áp dụng phương pháp moomen tính xác phân bố dòng điện chấn tử đối xứng ……………………………………………… 35 2.1.3 Trở kháng vào chấn tử …………………………………… 37 2.1.4 Cƣờng độ trƣờng vùng gần chấn tử đối xứng ………… 39 2.1.5 Công suất xạ phức trở kháng xạ chấn tử đối xứng …………………………………………………………………… 2.1.6 Trở kháng tƣơng 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) ……………………… 41 2.2 Anten Yagi ………………………………………………………… 2.2.1 Giới thiệu ………………………………………………………… 44 47 48 49 50 51 51 2.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động ………………………………… 2.2.3 Các bƣớc tính tốn mơ hình anten …………………………… 2.2.4 Dải thông anten dẫn xạ …………………………………… 51 54 56 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 ………………………………… 57 57 61 v Kết luận chƣơng ……………………………………………………… Chƣơng 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) … 64 66 66 66 66 67 68 68 3.2.2 Cấu trúc nhiễm sắc thể ………………………………………… 3.2.3 Quẩn thể ban đầu ……………………………………………… 72 74 3.2.4 Hàm lƣợng 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 ………………………………………………………… 74 3.3.2 Phƣơng pháp tính tốn tham số anten sử dụng thuật giải di truyền …………………………………………………………………… 3.3.2.1 Tổng quan phương pháp tính tốn ………………………… 3.3.2.2 Lưu đồ thuật tốn thiết kế anten Yagi ………………………… 3.3.2.3 Các bước thực tính toán …………………………………… 74 76 79 79 79 79 Kết luận chƣơng ……………………………………………………… Chƣơng 4: Kết mô thực nghiệm ……………………… 4.1 Kết mô ………………………………………………… 4.1.1 Trƣờng hợp …………………………………………………… 4.1.2 Trƣờng hợp …………………………………………………… 4.1.3 Trƣờng hợp …………………………………………………… 4.1.4 Nhận xét ………………………………………………………… 80 81 84 85 85 85 86 87 88 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 ……………………………… 88 89 89 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 ……………………………………………… 91 91 93 vi 4.2.1.2.3 Nhận xét ……………………………………………………… 95 4.2.2 Chế tạo anten …………………………………………………… 4.2.3 Khảo sát mức độ thu tín hiệu anten ……………………… 4.2.3.1 Giới thiệu phần mềm Vistumbler ……………………………… 95 96 4.2.3.2 Khảo sát anten phần mềm Vistumbler …………………… 97 4.2.3.3 Kết thu mức tín hiệu anten …………………………… 4.2.3.4 Nhận xét ………………………………………………………… 99 99 Kết luận chƣơng ……………………………………………………… KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 100 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 103 104 96 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 viii DANH MỤCBẢNG Bảng 3.1 Danh sách nhiễm sắc thể hàm lƣợng giá 75 Bảng 3.2 Các nhiễm sắc thể đƣợc 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 87 100 KẾT LUẬN CHƢƠNG IV Trong chương này, tác giả so sánh anten sử dụng thuật toán di truyền với anten có chiều dài khoảng cách chấn tử Thấy với anten sử dụng thuật toán di truyền tối ưu khoảng cách chiều dài chấn tử để hệ số định hướng (bức xạ) lớn Từ đó, với thơng số antensử dụng thuật tốn di truyềnkhảo sát phần mềm PCAAD cho kết gần giống với phần mềm Matlab đồ thị xạ độ tăng ích (hay hệ số định hướng) Để làm rõ phần thiết kế anten thuật toán di truyền tác giả chế tạo thử nghiệm so sánh anten gốc nhà sản xuất từ usb wifi anten có thơng số từ phần thiết kế anten sử dụng thuật tốn di truyền thơng qua phần mềmthu mức độ tín hiệu Vistumbler.Mức độ tín hiệu thu dùng anten sử dụng thuật toán di truyền ổn định có mức độ tín hiệu lớn so với anten wifi TP-Link TLWN722Ncó độ tăng ích dB nhà sản xuất 101 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ  Kết luận Đề tài: “Nghiên cứu thuật toán di truyền ứng dụng thiết kế anten chấn tử đối xứng” đạt số kết sau: Tìm hiểu lịch sử phát triển, vị trí anten hệ thống thu phát Giới thiệu loại anten có Tìm hiểu, nắm vững số tham số anten môi trường ảnh hưởng đến tham số chấn tử đối xứng: - Chiều dài đường kính phần tử với khoảng cách phần tử xác định đặc tính của anten - Kích thước đường kính phát xạ hay phần tử cấp điện (dipole feeder) có ảnh hưởng nhỏ đến độ lợi hướng búp có ảnh hưởng đáng kể đến trở kháng ngõ vào độ lợi xạ ngược - Kích thước khoảng cách phần tử phản xạ có ảnh hưởng tương tự phát xạ thông số độ lợi hướng búp chính, trở kháng vào độ lợi xạ ngược - Các phần tử dẫn xạ phần quan trọng việc thiết kế yagi, điều khiển trở kháng ngõ vào, mức xạ phụ tỉ số trước sau anten Áp dụng phương pháp mơmen để tính xác số tham số chấn tử đối xứng là: phân bố dòng điện chấn tử đối xứng trở kháng vào chấn tử đối xứng Tìm hiểu số loại chấn tử đối xứng ảnh hưởng tương hỗ chấn tử đối xứng với hệ anten gồm nhiều chấn tử đối xứng Cụ thể anten Yagi tham số anten Yagi Luận văn tiếp cận nội dung thuật giải di truyền sử dụng vào toán: Tối ưu hố thiết kế anten Yagi với tham số trở kháng vào hệ số định hướng 102 Trên sở vấn đề nghiên cứu luận văn xây dựng chương trình mơ máy tính phần mềm Matlab, phần mềm có khả ứng dụng cao tiện ích kỹ thuật với kết mô phù hợp mặt lý thuyết Tác giả so sánh anten sử dụng thuật tốn di truyền với anten có chiều dài khoảng cách Ứng dụng vào chế tạo anten với thơng số có từ chương trình phần mềm Matlab Giới thiệu phần mềm mô anten PCAAD 5.0 nhằm giúp cho bạn sinh viên có thêm điều kiện học tập.Tìm hiểu, khảo sát sâu thông số loại antentrong không đủ thiết bị thí nghiệm đo đạc thơng số anten Tác giả chế tạo anten Yagi 10 chấn tử so sánh với anten gốc usb wifi có độ tăng ích 4dB  Hướng phát triển Trên sở kết đạt q trình nghiên cứu, để hồn thiện phần mềm tối ưu thiết kế anten thuật tốn di truyền giúp cho người học mơn Anten truyền sóng hiểu sâu thì: Tối ưu loại anten khác hay sử dụng thực tế thuật toán di truyền nhằm chế tạo anten chất lượng tốt Chế tạo mẫu anten tối ưu theo thuật toán mẫu anten khơng sử dụng thuật tốn nhằm giúp cho bạn sinh viên học tập nghiên cứu Kiểm nghiệm đo đạc mẫu anten để chứng minh thuật toán 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồng Đình Thun, Anten, Học viện Kỹ thuật Qn sự, Hà Nội, 2006 [2] Hoàng Kiếm, Lê Hoàng Thái, Thuật giải di truyền – Cách giải tự nhiên tốn máy tính, NXB Giáo dục, 2001 [3] Lưu Thị Hoa Linh, Tối ưu thiết kế anten Loga – Chu kỳ thuật tốn di truyền, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, 2005 [4] Nguyễn Đình Thúc, Trí tuệ nhân tạo – Lập trình tiến hóa, NXB Giáo dục, 2008 [5] Phan Anh, Lý thuyết kỹ thuật anten, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2000 Tiếng Anh [6] Randy L Haupt, An introduction to genetic algorithms for electromagnetics, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol 37, No 2, April (1995) [7]Andrey Popov, Genetic Algorithms for Optimization – Application in Controller Design Problems, TU-Sofia, (2003) [8] Trong Duc Nguyen, Tan Phu Vuong, Y van Duroc, and Van Yem Vu, Optimization of PIFA Antenna using an Auto-embedded Genetic Algorithm, IEEE, (2010) Website [9] Http://www.download.com.vn/vistumbler/download [10] Http://www.thuvientailieu.vn/tai-lieu/anten-dung-trong-thong-tin-vi-ba-22476/ 104 PHỤ LỤC Chƣơng trình %Thiet ke an ten Yagi %Phuong phap dung thuat giai di truyen clc;clear; global N lambda a format long nGenerations = input('Vao so the he nGenerations='); PopSize = input('Vao so nhiem sac the quan the PopSize='); F=0.4; CR=0.7; N = input('Vao so chan tu N='); lambda = input('Vao buoc song cong tac lambda='); a = input('Vao ban kinh cua chan tu a='); N1=2*N-1; parameterRanges=ones(N1,2); % Can tren va duoi cua nua chieu dai cac chan tu for n=1:N parameterRanges(n,1)=0.2*lambda; parameterRanges(n,2)=0.26*lambda; end % Can tren va duoi cua khoang cach giua cac chan tu for n=N+1:N1 parameterRanges(n,1)=0.1*lambda; parameterRanges(n,2)=0.35*lambda; end time=clock; time1=time(5)*60+time(6); nParameters = size(parameterRanges , 1); parameterMinimums = repmat(parameterRanges(:,1)' , PopSize , 1); parameterMaximums = repmat(parameterRanges(:,2)' , PopSize , 1); population = zeros (PopSize , nParameters + , nGenerations); 105 population(:,1:nParameters,1) parameterMaximums); for n=1:NP = unifrnd(parameterMinimums , population(n,nParameters + 1,1) = YAGIDT( population(n,1:nParameters,1)); end targetVectorFitnessScores = population(: , nParameters + , 1); parameterVectors = population(: , 1:nParameters , 1)'; generation = 1; for generation = 2:nGenerations ABC = [[1:NP]' unidrnd(NP , NP , 3)]; uniqueABC = find( (ABC(:,1) ~= ABC(:,2)) & (ABC(:,1) ~= ABC(:,3)) & (ABC(:,1) ~= ABC(:,4)) & (ABC(:,2) ~= ABC(:,3)) & (ABC(:,2) ~= ABC(:,4)) & (ABC(:,3) ~= ABC(:,4)) ); while length(uniqueABC) ~= NP nonUniqueABC = setdiff([1:NP]' , uniqueABC); ABC ABC = ABC(uniqueABC , :); = [ABC ; nonUniqueABC unidrnd(NP,length(nonUniqueABC),3)]; [dummy , indices] = sort(ABC(:,1)); ABC = ABC(indices,:); uniqueABC = find( (ABC(:,1) ~= ABC(:,2)) & (ABC(:,1) ~= ABC(:,3)) & (ABC(:,1) ~= ABC(:,4)) & (ABC(:,2) ~= ABC(:,3)) & (ABC(:,2) ~= ABC(:,4)) & (ABC(:,3) ~= ABC(:,4)) ); end % Xa = population(ABC(:,2) , 1:nParameters , generation - 1); Xb = population(ABC(:,3) , 1:nParameters , generation - 1); Xc = population(ABC(:,4) , 1:nParameters , generation - 1); 106 XcPrime = Xc + F*(Xa - Xb); % targetVectors = population(: , 1:nParameters , generation - 1); crossoverSamples = rand(NP , nParameters); randomVectorGenes = find(crossoverSamples < CR); % trialVectors = targetVectors; % n=1; while n