Tối ưu hóa cấu trúc ăng ten vi dải sử dụng thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tối ưu hóa cấu trúc ăng ten vi dải sử dụng thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân NGUYỄN VĂN THẮNG thang.nv153532@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Hường Chữ ký GV Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Điện HÀ NỘI, 01/2020 HD BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Nguyễn Văn Thắng Mã số sinh viên: 20153532 Khóa: 60 Viện: Điện Ngành: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Đầu đề thiết kế/Tên đề tài Tối ưu hóa cấu trúc ăng ten vi dải sử dụng thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân Các số liệu ban đầu Các nội dung tính tốn, thiết kế - Đề xuất tiêu chí lựa chọn anten thiết kế - Thực thuật tốn tối ưu tiến hóa vi phần thiết kế ăng ten lựa chọn - Thiết kế, mô ăng ten tối ưu - Kiểm nghiệm anten thiết kế thực tế Cán hướng dẫn: Tiến sĩ Nguyễn Thanh Hường: Bộ môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 15/09/2019 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/01/2020 Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Đề tài “Tối ưu hóa cấu trúc ăng ten vi dải sử dụng thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân” Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Hường Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Cô Nguyễn Thanh Hường, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật đo tin học cơng nghiệp, người tận tình hướng dẫn, cung cấp thiết bị đại, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, thầy cô Bộ môn Kỹ thuật đo tin học cơng nghiệp nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Cảm ơn Bách Khoa! Tóm tắt nội dung đồ án Các hệ thống tự động hoá viễn thông ngày cải thiện dễ dàng tích hợp trước nhờ có cơng nghệ truyền thơng khơng dây, thành phần khơng thể thiếu ăng ten Việc thiết kế tối ưu cấu trúc ăng ten tốn nhiều thời gian, đặc biệt với cấu trúc phức tạp, có nhiều dải tần hoạt động có nhiều lớp vật liệu phức tạp Với hệ máy móc tính tốn đại, tốc độ tính tốn ngày đạt hiệu suất cao, việc kết hợp tính tốn tự động cho trình tối ưu thiết kế hồn tồn khả thi Trên giới có nhiều nhóm nghiên cứu thực tự động hố thiết kế ăng ten nhờ thuật toán tối ưu, thuật toán di truyền, thuật toán bày đàn, v.v mà người ta gọi chung thuật toán tiến hoá Những thuật tốn giúp cho q trình thiết kế ăng ten đơn giản, tự động tối ưu Trong đồ án này, thuật tốn tiến hóa vi phân (Differential Evolution - DE) xây dựng MATLAB kết hợp với phần mềm mô ăng ten CST Microwave Studio để đạt ăng ten tối ưu thỏa mãn tiêu chí thiết kế định, kích thước nhỏ hai băng tần Các tham số hình học ăng-ten trích xuất để tối ưu hóa thuật toán DE tham số tính tốn đánh giá phần mềm mơ CST để thể hiệu suất thiết kế ứng cử viên Một ăng ten PIFA hai bang tần thiết kế tối ưu cách sử dụng chương trình tối ưu hóa Ăng ten sau chế tạo đo kiểm để để xác nhận tính mạnh mẽ thuật tốn Kết đo cho thấy triển vọng thuật toán DE thiết kế ăng ten PIFA thực tế Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN TIẾN HÓA .1 1.1 Tổng quan công nghệ ăng ten tiến hóa .1 Giới thiệu sơ lược cơng nghệ tiến hóa thiết kế ăng ten Một số thuật tốn tiến hóa thơng dụng thiết kế 1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển Ăng ten tiến hóa .4 Ăng ten có băng thơng siêu rộng Ăng-ten Yagi-Uda băng thông rộng Anten lưỡng cực siêu băng rộng cho thông tin di động Thiết kế tối ưu ăng ten xoắn ốc sử dụng thuật toán Strawberry Thiết kế ăng-ten RFID chuỗi Fibonacci 10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .12 2.1 Cơ sở lý thuyết ăng ten 12 Đồ thị xạ 12 Độ định hướng (Directivity) 16 Hiệu suất ăng ten (Antenna Effective) 16 Độ lợi (gain) 16 Băng thông (Bandwidth) 17 Tính phân cực 18 Trở kháng vào (Input Impedance) 20 Hệ số phản xạ S11 21 2.2 Anten vi dải 22 Giới thiệu chung .22 Cấu trúc đường truyền vi dải 23 Nguyên lý hoạt động 24 Các loại đường truyền vi dải phổ biến 25 Cấp nguồn cho anten vi dải 26 Anten vi dải hai tần số cộng hưởng 28 2.3 Thuật toán Differential Evolution - DE 28 Cơ sở thuật tốn tiến hóa vi phân 29 Thuật toán tiến hóa vi phân (Differential Evolution) 30 2.4 Lập trình với Matlab thực lệnh CST .33 Tạo môi trường làm việc 35 Xây dựng chương trình điều khiển đối tượng (Ăng ten) 35 Xử lý số liệu S11 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĂNG TEN ÁP DỤNG THUẬT TOÁN .38 3.1 Ăng ten PIFA 38 Cấu tạo 38 Mơ hình điện 39 3.2 Thiết kế anten PIFA 40 Cơ sở thiết kế PIFA U-Shape 40 Chọn tham số cho Ăng ten PIFA 42 3.3 Áp dụng thuật tốn tiến hóa vi sai thiết kế PIFA 43 Tóm tắt bước thực 43 Xác định thơng số cho thuật tốn .44 Tạo quần thể 49 Đột biến trao đổi chéo 50 Chọn lọc 52 Thực trình thiết kế tự động Ăng ten 54 CHƯƠNG MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC TẾ .59 4.1 Kết mô S11 đo đạc thực tế 59 4.2 Kết mô thông số khác 60 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 Kết luận 65 Hướng phát triển đồ án tương lai .65 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ý tưởng thuật tốn tiến hóa Hình 1.2: Cơ sở quy trình thuật tốn Hình 1.3: Ăng ten UWB Hình 1.4: Hàm mát Ăng ten UWB Hình 1.5: Cấu trúc ăng ten Yyagi-Uda hình chữ X .6 Hình 1.6: Cấu trúc ăng ten K2 MHSC dipole Hình 1.7: Cấu trúc ăng ten xoắn Hình 1.8: Đặc điểm hiệu suất vịng xoắn tối ưu hóa GA .9 Hình 1.9: Cấu trúc ăng ten RFID .10 Hình 1.10: Hệ số phản xạ S11 ăng ten RFID 11 Hình 2.1: Đồ thị xạ anten lưỡng cực 12 Hình 2.2: Đồ thị xạ ăng ten đẳng hướng 13 Hình 2.3: Đồ thị xạ dọc ngang anten đa hướng .13 Hình 2.4: Búp sóng 14 Hình 2.5: Đồ thị xạ ăng ten đẳng hướng 14 Hình 2.6: Đồ thị xạ anten đa hướng .15 Hình 2.7: Đồ thị xạ ăng ten Yagi 15 Hình 2.8: Mối quan hệ độ lợi độ định hướng ăng ten .16 Hình 2.9: Phân cực ăng ten .18 Hình 2.10: Hệ số trục 19 Hình 2.11: Tạo phân cực tròn cho ăng ten 20 Hình 2.12: Hệ mơ ăng ten .20 Hình 2.13: Mạch điện tương đương 20 Hình 2.14: Ăng ten vi dải 22 Hình 2.15: Hình dạng mặt xạ 23 Hình 2.16: Cấu trúc đường truyền vi dải 24 Hình 2.17: Trường E H anten mạch vi dải .24 Hình 2.18: Bức xạ sóng điện từ anten mạch vi dải 25 Hình 2.19: Các loại đường tuyền vi dải .25 Hình 2.20: Cấp nguồn vi dải .26 Hình 2.21: Cấp nguồn cáp đồng trục 26 Hình 2.22: Phương pháp ghép khe 27 Hình 2.23: Phương pháp ghép gần 27 Hình 2.24: Sơ đồ thuật tốn tiến hóa vi sai 31 Hình 2.25: Sơ đồ khối phương thức kết nối tới CST 34 Hình 2.26: Sơ đồ khối cách tạo mơi trường làm việc 35 Hình 2.27: Sơ đồ khối tổng quan chương trình xây dựng ăng ten .36 Hình 3.1: Cấu tạo Ăng ten PIFA .38 Hình 3.2: Mơ hình điện PIFA 39 Hình 3.3: Cấu trúc dual band ăng ten PIFA 40 Hình 3.4: Cấu trúc mặt xạ [12] 40 Hình 3.5: Thông số Feed line 43 Hình 3.6: Sơ đồ áp dụng thuật tốn tiến hóa vi sai 44 Hình 3.7: Biểu đồ đặc điểm hội tụ với GEN=20 .45 Hình 3.8: Biểu đồ khảo sát phụ thuộc số hệ .46 Hình 3.9: Biểu đồ khảo sát chất lượng cá thể NP=12, GEN=10 46 Hình 3.10: Biểu đồ khảo sát chát lượng cá thể NP=12, GEN=20 47 Hình 3.11: Biểu đồ khảo sát chát lượng cá thể NP=12, GEN=30 47 Hình 3.12: Biểu đồ khảo sát chát lượng cá thể NP=12, GEN=40 48 Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán tạo quần thể 50 Hình 3.14: Sơ đồ thuật tốn q trình đột biến trao đổi chéo .51 Hình 3.15: Sơ đồ thuật tốn chọn lọc hội tụ 53 Hình 3.16: Đồ thị phân bố giá trị Wp 54 Hình 3.17: Đồ thị phân bố giá trị Lp 55 Hình 3.18: Đồ thị phân bố giá trị W1 55 Hình 3.19: Đồ thị phân bố giá trị L1 56 Hình 3.20: Kết thử nghiệm hệ số S11 56 Hình 3.21: Kết thử nghiệm tham số W1, L1, Wp, Lp 56 Hình 3.22: Hệ số phản xạ S11 ăng ten lựa chọn .57 Hình 3.23: Hệ số phản xạ S11 tối ưu 2,45 GHz 58 Hình 3.24: Biểu đồ hiệu chiến lược 58 Hình 4.1: Hình dạng mô ăng ten PIFA 59 Hình 4.2: Ăng ten PIFA thực tế 59 Hình 4.3: Hệ số phản xạ S11 Ăng ten PIFA 60 Hình 4.4: Đồ thị VSWR 60 Hình 4.5: Đồ thị 3D Farfield tần số 2,45GHz 61 Hình 4.6: Đồ thị 1D Farfield tần số 2,45GHz 61 Hình 4.7: Đồ thị 3D Farfield tần số 5,8GHz 62 Hình 4.8: Đồ thị 1D Farfield tần số 5,8GHz 62 Hình 4.9: Surface current tần số 2,45GHz (trục dọc) 63 Hình 4.10: Surface current tần số 2,45GHz (hướng từ xuống) 63 Hình 4.11: Surface current tần số 5,8GHz (hướng từ xuống) 64 Hình 4.12: Surface current tần số 5,8GHz(trục dọc) 64 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DE Differential Evolution ES Evolution Strategy EA Evolution Algorithm GEP Gene Expression Programming CGP Cartesian Genetic Programming LGP Linear Genetic Programing GA Genetic Algorithms RFID Radio Frequency Identification VSWR Voltage Standing Wave Ratio CR Xác suất lai ghép F Hệ số đột biến (khuếch đại vi sai) NP Kích thước quần thể GEN Số hệ εeff Hằng số điện môi chất mặt phẳng đất λ Bước sóng khơng gian tự Ls Chiều dài miếng ăng ten PIFA Ws Chiều rộng miếng ăng ten PIFA Lp Chiều dài miếng xạ lớn Wp Chiều rộng miếng xạ lớn h Chiều cao miếng ground miếng xạ (patch) L1 Chiều dài miếng xạ nhỏ W1 Chiều rộng miếng xạ nhỏ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĂNG TEN TIẾN HĨA 1.1 Tổng quan cơng nghệ ăng ten tiến hóa Giới thiệu sơ lược cơng nghệ tiến hóa thiết kế ăng ten Ăng ten tiến hóa ăng ten thiết kế hồn tồn thực chất chương trình thiết kế máy tính tự động sử dụng thuật tốn tiến hóa bắt chước tiến hóa Darwin Quy trình sử dụng năm gần để thiết kế số ăng-ten cho ứng dụng quan trọng liên quan đến yêu cầu thiết kế nghiêm ngặt, xung đột bất thường, chẳng hạn mẫu xạ bất thường, khơng có loại ăng-ten có Chương trình máy tính bắt đầu với hình dạng ăng ten đơn giản, sau thêm sửa đổi thành phần theo cách bán ngẫu nhiên để tạo số hình dạng ăng ten ứng cử viên Sau chúng đánh giá để xác định mức độ đáp ứng yêu cầu thiết kế điểm số tính cho mức Sau đó, bước tương tự chọn lọc tự nhiên, phần ăng ten ứng cử viên có điểm số bị loại bỏ, để lại số lượng nhỏ thiết kế có điểm số cao Sử dụng thông số ăng-ten có điểm số cao, máy tính lặp lại quy trình, tạo quần thể có thiết kế có điểm cao Sau số lần lặp, dân số ăng-ten đánh giá thiết kế có điểm cao chọn Ăngten thu thường vượt trội thiết kế thủ cơng tốt nhất, có hình dạng bất đối xứng phức tạp khơng thể tìm thấy phương pháp thiết kế thủ công truyền thống Việc nghiên cứu ứng dụng thuật tốn tiến hóa bắt đầu 50 năm trước Giống kỹ thuật trí tuệ nhân tạo khác, thuật tốn tiến hóa cho thấy việc sử dụng phát triển tăng lên gia tăng tính khả dụng, thư viện phần mềm nguồn mở mạnh mẽ, sẵn có nhu cầu kỹ thuật trí tuệ nhân tạo ngày tăng Sự tiến hóa chế động bao gồm quần thể thực thể (giải pháp tiềm năng) theo hình thức chép, biến thể lựa chọn xảy thực thể đó, Hình 1.1 Hình 1.1: Ý tưởng thuật tốn tiến hóa Theo Hình 3.16, Wp phân bố chủ yếu khoảng từ 11,73mm đến 13,37mm tập trung nhiều giá trị khoảng từ 11,73mm đến 12,44mm Hình 3.17: Đồ thị phân bố giá trị Lp Theo Hình 3.17, Lp phân bố chủ yếu khoảng từ 15,76mm đến 18,15mm tập trung nhiều giá trị khoảng từ 15,76mm đến 16,71mm Hình 3.18: Đồ thị phân bố giá trị W1 Theo Hình 3.18, Lp phân bố chủ yếu khoảng từ 15,76mm đến 18,15mm tập trung nhiều giá trị khoảng từ 15,76mm đến 16,71mm Hình 3.19: Đồ thị phân bố giá trị L1 Sau lần kiểm tra đầu tiên, ta thu bốn đồ thị phân bố tham số Wp, Lp, W1, L1 cá thể đạt yêu cầu Tiếp tục kiểm tra lần thứ hai với điều kiện rảng buộc cho tham số thu hẹp lại cụ thể là: Wp: (11,5 ; 13,5) Lp: (15,5 ; 18,5) W1: (4,5 ; 5) L1: (6 ; 6,15) 3.3.6.2 Thử nghiệm lần Ở lần kiểm tra thứ hai này, số cá thể đạt yêu cầu lên tới 429/450 cá thể lai tạo thử nghiệm Từ quần thể ban đầu, cá thể dần thay sau thệ sau GEN (GEN=25) hệ, cá thể tốt cá thể ban đầu có giá trị S11 là: Hình 3.20: Kết thử nghiệm hệ số S11 Tham số cụ thể cá thể là: Hình 3.21: Kết thử nghiệm tham số W1, L1, Wp, Lp 3.3.6.3 Lựa chọn kết phù hợp Theo dõi tập giá trị S11 trả về, chọn cá thể phù hợp với để hoạt động tần số 2,45GHz 5,8GHz cá thể thứ ba có: Với tham số tìm được, tiến hành mô phần mềm CST thu được: S11 Hình 3.22: Hệ số phản xạ S11 ăng ten lựa chọn Kết cho thấy hệ số phản xạ S11 -10dB hai dải tần số 2,12GHz - 2,71GHz 5,70GHz - 5,90GHz Kết phù hợp với yêu cầu toán hoạt động tần số 2,45 GHz 5,8 GHz Hơn nữa, ăng ten có hai băng thơng tốt ăng ten đặc biệt tần số 2,45 GHz, ăng ten hoạt động với băng thông lên tới 590 MHz tần số 5,8 GHz 200 MHz Mặc dù đỉnh thấp đường S11 điểm 2,45 GHz cách chọn mục tiêu cho kết tốt tần số 5,8 GHz (vì tần số này, giá trị tham số nhỏ ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng nên ưu tiên chọn để có kết tốt hai tần số) nên thuật toán kết tốt tần số xác điểm thấp S11 tần số 5,8 GHz Với với mục tiêu chọn S11 tần số 2,45 Ghz tốt ta thu kết Hình 3.23 qua lần thử Tại 2,45 GHz S11 đạt giá trị nhỏ -27,15dB với băng thông 530 MHz tần số 5,8 GHz -20,3 GHz với băng thông 178 MHz Như vậy, với mục đích chế tạo thay đổi mục tiêu chọn cá thể tốt để đạt yêu cầu Số lượng cá thể đạt mục tiêu S11 Hình 3.23: Hệ số phản xạ S11 tối ưu 2,45 GHz 350 300 250 200 104 150 100 65 58 50 Mục tiêu 2,45GHz Mục tiêu 5,8GHz Cả hai mục tiêu Hàm mục tiêu DE/rand/1 DE/best/1 DE/current-to-rest/1 RDE Hình 3.24: Biểu đồ hiệu chiến lược Nhận xét: Với việc thực chiến lược đột biến khác (DE/rand/1, DE/best/1, DE/current-to-rest/1, RDE) nêu 2.3.2 trường hợp với tham số lần thử nghiệm đầu tiên, ta thu kết Hình 3.24 Biểu đồ cho thấy rõ hiệu chiến lược DE/best/1 áp dụng với trường hợp thiết kế ăng ten PIFA với số cá thể đạt yêu cầu lên tới 104/450 cá thể, cao vượt trội so với chiến lược khác chúng mức khoảng từ 58 đến 65 cá thể Và với tần số 5,8 GHz, chiến lược tỏ hiệu rõ rệt Như với việc có ràng buộc giới hạn tham số tốt chiến lược DE/best/1 tỏ hiệu Với tham số giới hạn lại lần thử nghiệm thứ hai, kết với chiến lược DE/best/1 cho số lượng cá thể đạt yêu cầu tuyệt đối 100% CHƯƠNG MÔ PHỎNG, CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỰC TẾ 4.1 Kết mô S11 đo đạc thực tế Với thông số lựa chọn mục 3.3.6, thực mô phần mềm CST Matlab code đo đạc từ thiết kế thực tế thu kết sau: Hình 4.1: Hình dạng mơ ăng ten PIFA Hình 4.2: Ăng ten PIFA thực tế Các phận Ăng ten PIFA chế tạo bao gồm: - Tấm xạ kích thước 16,40 m x 12,44 mm xẻ rãnh hình chữ U Tấm mặt phẳng đất phủ đồng mặt kích thước 50 mm x 25 mm Dây ngắn mạch (được thực băng dính đồng) để ngắn mạch từ mặt phẳng đất đến xạ Hình ảnh thật ăng ten PIFA chế tạo Hình 4.2 Hình 4.3: Hệ số phản xạ S11 Ăng ten PIFA Nhận xét: Qua Hình 4.3 ta thấy kết mô kết đo thực tế có sai lệch khơng đáng kể, ăng ten hoạt động tốt ngồi thực tế hai dải tần số 2,45 GHz 5,8 GHz với hệ số phản xạ S11 tương ứng xấp xỉ -19,00dB -18,23dB Khi đo thực tế, băng thông 2,45 GHz 5,8 GHz lớn băng thơng mơ phần mềm CST Đó 780 MHz (2,15 GHZ đến 2,93 GHz) 2,45 GHz 240 MHz (5,71 GHz đến 5,95 GHz) 5,8 GHz 4.2 Kết mô thông số khác - Thơng số Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) VSWR Hình 4.4: Đồ thị VSWR Nhận xét: VSWR hàm hệ số phản xạ, nên Hình 4.4 thể tương tự Hình 4.3 với dải tần số có VSWR 2,10GHz-2,72GHz 5,68GHz - 5,90GHz Tại 2,45 GHz, giá trị VSWR 1,13 5,8 GHz 1,16 Nếu xét cách khắt khe hệ số VSWR nhỏ 1,5 Mặc dù vậy, ăng ten đáp ứng yêu cầu hai tần số nêu Như vậy, cho anten cộng hưởng tốt hai tần số với băng thông rộng công suất phản xạ nhỏ - Farfiled (Gain) Tại tần số 2,45GHz, hướng xạ ăng ten hướng phía mặt vng góc với mặt phẳng ăng ten với độ lợi lớn Kết thể rõ Hình 4.5 Hình 4.5: Đồ thị 3D Farfield tần số 2,45GHz Nhận xét: Kết cho thấy, độ lợi gain tần số 2,45GHz tốt với Gain=3,091dB, chứng tỏ công suất nhận công suất phát từ ăng ten cao 3,091 dB (gần gấp đôi) so với mức nhận phát từ ăng ten đẳng hướng khơng tổn hao có cơng suất đầu vào Hình 4.6: Đồ thị 1D Farfield tần số 2,45GHz Nhận xét: Nhìn vào Hình 4.6, đồ thị 1D thể rõ đặc điểm chùm tia (vùng xung quanh hướng xạ cực đại, thường vùng nằm phạm vi dB đỉnh chùm tia chính) có góc rộng 107,3 độ, cộng hưởng mạnh góc độ chìm tia phụ (sidelobes) không mong muốn hướng đối diện Tần số 5,8 GHz, hướng xạ ăng ten hướng phía phần mặt phẳng đất Độ định hướng tần số nhỏ phần tạo xạ tần số 5,8 GHz bị hấp thụ nhiều lớp chất FR4 Đồ thị dòng điện mặt cho thấy rõ hấp thụ Hình 4.7: Đồ thị 3D Farfield tần số 5,8GHz Nhận xét: Từ Hình 4.7, độ lợi ăng ten mức 1,026dB, thấp so với mức trung bình cần đạt ăng ten (thông thường khoảng từ 3dB trở lên) Hình 4.8: Đồ thị 1D Farfield tần số 5,8GHz Nhận xét: Hình 4.8 rằng, tần số 5,8 GHz, chùm tia có góc cộng hưởng 52,7 độ cộng hưởng mạnh góc 65 độ Chùm tia phụ gây nhiễu ăng ten nhiều tỏa khắp hướng cho thấy mức độ hoạt động ăng ten tần số không tốt - Surface current: Đồ thị dòng điện mặt Ở tần số 2.45GHz, dòng điện mặt (surface current) thu kết mô Hình 4.9 Hình 4.10 Dịng điện chạy từ nguồn cấp cáp đồng trục lên mặt phản xạ phía đến từ phần ngắn mạch dòng điện Dòng điện chạy dọc theo mặt phẳng xạ tập trung phần rìa đường xẻ rãnh, phù hợp với tính tốn lý thuyết Toàn lượng cấp cho ăng ten tập trung phía xạ đó, định hướng xạ tần số hướng vng góc với phản xạ mạnh mặt phẳng phía phản xạ Hình 4.9: Surface current tần số 2,45GHz (trục dọc) Hình 4.10: Surface current tần số 2,45GHz (hướng từ xuống) Ở tần số 5.8GHz, dòng điện bề mặt thu Hình 4.11 Hình 4.12 Do phần xạ cho tần số tạo thành chủ yếu phần rãnh xẻ, vậy, dịng điện lấy từ nguồn cấp nguồn lượng cho xạ ăng ten tần số Phần dòng điện lấy từ đường ngắn mạch khơng đáng kể Ngồi ra, kích thước phần rãnh xẻ nhỏ, đó, bề dày tầm FR4 đáng kể nên lượng bị mát chất đáng kể Chính thế, độ định hướng tần số 5,8 GHz nhỏ Trong nghiên cứu tiếp sau, cấu trúc cần cải thiện để làm tăng khả xạ ăng ten tần số Hình 4.11: Surface current tần số 5,8GHz (hướng từ xuống) Hình 4.12: Surface current tần số 5,8GHz(trục dọc) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Trong đồ án này, thuật tốn tiến hóa vi phân (Differential Evolution - DE) xây dựng MATLAB kết hợp với phần mềm mô ăng ten CST Microwave Studio để đạt ăng ten tối ưu thỏa mãn tiêu chí thiết kế định, kích thước nhỏ hai băng tần Các tham số hình học ăng-ten trích xuất để tối ưu hóa thuật tốn DE tham số tính tốn đánh giá phần mềm mơ CST để thể hiệu suất thiết kế ứng cử viên Một ăng ten PIFA hai băng tần thiết kế tối ưu cách sử dụng chương trình tối ưu hóa Kết đo cho thấy triển vọng thuật toán DE thiết kế ăng ten PIFA thực tế Kết đạt được: - - - - Tổng quan công nghệ ăng ten tiến hóa thuật tốn tiến hóa áp dụng số nghiên cứu bật giới cơng nghệ Tìm hiểu lý thuyết ăng ten, đặc biệt ăng ten vi dải, ăng ten PIFA làm tảng cho việc áp dụng thuật tốn để tối ưu hóa cấu trúc ăng ten Xây dựng khung chương trình Matlab thực lệnh phần mềm mô ăng ten CST Microwave Studio Tìm hiểu thuật tốn tiến hóa vi phân (DE) xây dựng thuật toán Matlab kết hợp với phần mềm CST để tối ưu hóa yêu cầu thiết kế Thi công đo đạc thực tế ăng ten PIFA thu dựa thiết bị có sẵn Đúc kết số kinh nghiệm cách làm việc với thuật tốn tiến hóa hay từ thiết kế mô thi công đo đạc anten thực tế để có kết xác đồng Bên cạnh đó, việc tìm hiểu, đọc báo trở nên quen thuộc dễ dàng Cùng với đó, kỹ phân tích trình bày văn khoa học cải thiện rõ rệt Bằng cách áp dụng thuật toán cho việc thiết kế ăng ten giúp tiết kiệm nhiều thời gian cho việc thử nghiệm tham số ảnh hưởng tới tần số hoạt động Ăng ten Qua đó, với thử nghiệm khó mặt tính tốn xác tham số ăng ten hay cho mục đích đặc biệt, việc thiết kế ăng ten tự động phát huy tối đa tác dụng Hướng phát triển đồ án tương lai Hiện nay, công nghệ ăng ten tiến hóa quan tâm Với mục đích cải thiện hạn chế mà thiết kế ăng ten thủ công không làm hay tạo ăng ten với mục đích đặc biệt qn sự, hàng khơng vũ trụ Vì mà việc nghiên cứu phát triển công nghệ ăng ten theo hướng phát triển theo Hướng phát triển đề tài tập trung vào: - Về cấu trúc ăng ten: tạo tìm hiểu cấu trúc ăng ten phức tạp với đa dạng mục đích Về thuật tốn tiến hóa: tìm hiểu kết hợp thuật tốn tiến hóa vi phân với phương pháp, chiến lược khác để cải thiện tính hội tụ Áp dụng đa dạng thuật tốn với mục đích thiết kế ăng ten khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pradeep, Anju & va, Shameena & Shanta, Mridula & Paul, Binu & Pezholil, Mohanan, "Notch band optimization of planar Ultra Wide Band antenna using GA," 2020 [2] Yan, Ya-li & Fu, Guang & Gong, Shu-xi & Chen, Xi & Li, Dong-chao, "Design of a wide-band Yagi-Uda antenna using differential evolution algorithm," no 2010.5607011, 2010 [3] Li, Daotie & Mao, Jun-Fa, "An Ultra-wideband High Gain Dipole Antenna Evolved from Hexagonal Sierpinski Grid Fractal Gasket," IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2019 [4] Lovestead, Raymond & Safaai-Jazi, A Safaai-Jazi, "Optimum design of helical antennas by genetic algorithm," Microwave and Optical Technology Letters, 2019 [5] Subhashini, Konidala, "Antenna array synthesis using a newly evolved optimization approach: Strawberry algorithm," Journal of Electrical Engineering, vol 70, no 4, p 317–322, August 2019 [6] Peng, Li & Zhang, Hai & Liu, Zeyan & Wang, Hui & Zhu, Huasheng, "Design of Fibonacci Sequence RFID Antenna Using Differential Evolution," 2018 [7] Price, R Storn and K., "Differential evolution–A simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces," Journal of global optimization, vol 11, no 4, pp 341-359, 1997 [8] H Wang, H Sun, C.H Li, S Rahnamayan, J.S Pan, "Diversity enhanced particle swarm optimization with neighborhood search," Information Sciences, p 119–135, 2013 [9] H Wang, Z.J Wu, S Rahnamayan, H Sun, Y Liu, J.S Pan, "Multistrategy ensemble artificial bee colony algorithm," Information Sciences, vol 279, pp 587-603, 2014 [10] M.Q Zhang, H Wang, Z.H Cui, J.J Chen, "Hybrid multiobjective cuckoo search with dynamical local search," Memetic Computing, 2017 [11] M - Huynh and W Stutzman, "Ground plane effects on planar inverted-F antenna (PIFA) performance," IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation, vol 150, no 4, pp 209-213, August 2003 [12] Nariman Firoozy, Mahmoud Shirazi, "Planar Inverted-F Antenna (PIFA) Design Dissection for Cellular Communication Application," Electromagnetic Analysis and Applications, vol 3, no 10, 2011 [13] H Haruki and Kobayashi, "The Inverted-F Antenna for Portable Radio Units," Conv Rec IECE Japan, p 613, March 1982 [14] K L Wang, "Planar Antennas for Wireless Communications," WileyInterscience, 2003 [15] P S Hall, E Lee and C T P Song, "Planar Inverted-F Antennas, Chapter 7," 2007 [16] Smith, Alice & Coit, David & Bäck, Thomas & Fogel, David & Michalewicz, Zbigniew., "Penalty Functions," 1998 ... ăng ten Mỗi loại có đồ thị xạ búp sóng riêng Có loại ăng ten điển hình ăng ten đẳng hướng (isotropic antenna), ăng ten đa hướng (Omnidirectional antenna) ăng ten định hướng (Directional antenna)... khác áp dụng vi? ??c kết hợp giải thuật tiến hóa với kỹ thuật tối ưu khác để cải thiện cấu trúc ăng ten qua thành phần ăng ten Vi? ??c kết hợp tạo nên lớp ăng ten gọi ăng ten tiến hoá Vi? ??c sử dụng... thay đổi theo tần số) 2.2 Anten vi dải Giới thiệu chung Anten microstrip nhận ý đáng kể năm 1970, ý tưởng ăng ten vi dải bắt nguồn từ năm 1953 sáng chế năm 1955 Ăng ten vi dải, Hình 2.14, bao gồm