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

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

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

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 2.9. Mẫu phát xạ của chấn tử chủ động khi có thêm các chấn tử định
hƣớng 48
Hình 2.10. Mẫu phát xạ của anten Yagi 50
Hình 2.11. Chấn tử đối xứng gập 50
x
Hình 2.12. Cấu tạo anten Yagi 51
Hình 2.13. Sơ đồ anten 54
Hình 2.14. Sơ đồ tiếp điện kiểu Y 58
Hình 2.15. Sơ đồ tiếp điện kiểu T 59
Hình 2.16. Sơ đồ tiếp điện cho chấn tử vòng dẹt 60
Hình 2.17. Sơ đồ mắc trực tiếp cáp đồng trục vào chấn tử đối xứng 61
Hình 2.18. Sơ đồ phối hợp kiểu Γ 62
Hình 2.19. Sơ đồ bộ biến đổi đối xứng 63
Hình 3.1. Hai nhiễm sắc thể bố mẹ từ thế hệ cũ qua quá trình lai ghép tạo ra
thế hệ mới gồm hai nhiễm sắc thể con 67
Hình 3.2. Sơ đồ khối của thuật giải di truyền 72
Hình 3.3. Lƣu đồ thuật toán thiết kế anten dẫn đƣờng 81
Hình 4.1. Đồ thị phƣơng hƣớng của anten Yagi 3 chấn tử 86
Hình 4.2. Đồ thị phƣơng hƣớng của anten Yagi 7 chấn tử 87
Hình 4.3. Đồ thị phƣơng hƣớng của anten Yagi 10 chấn tử 88
Hình 4.4. Giao diện desktop của chƣơng trình PCAAD 5.0 89
Hình 4.5. Giao diện chính của chƣơng trình PCAAD 5.0 89
Hình 4.6. Hệ tọa độ cực 90
Hình 4.7. Hệ tọa độ vuông góc 90
Hình 4.8. Đồ thị Smith 91
Hình 4.9. Thông số anten Yagi 10 chấn tử khảo sát bằng phần mềm
PCAAD5.0 92
Hình 4.10. Anten Yagi 10 chấn tử trong mặt phẳng khảo sát 93
Hình 4.11. Đồ thị bức xạ anten Yagi 10 chấn tử khảo sát bằng PCAAD5.0….93
Hình 4.12. Đồ thị bức xạ dạng 3-D anten Yagi 10 chấn tử 94

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

tuyến nào. Sóng điện từ và nền tảng lý thuyết của anten được xây dựng trên cơ sở
phương trình cơ bản của điện học và từ họcmà Maxwell đã khái quát trong hệ
phương trình Maxwell. Từ năm 1886 cho đến nay sự phát triển và ngày càng hoàn
thiện của kỹ thuật anten đã góp phần quan trọng vào công cuộc phát triển chung của
kỹ thuật vô tuyến điện.
Anten được ứng dụng trong tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến như: phát
thanh, truyền hình, rađa, thiên văn v.v Với những mục đích sử dụng khác nhau,
anten được thiết kếtheo các phương pháp khác nhau nhằm đạt được kết quả như
mong muốn. Sự trợ giúp đắc lực của máy tính, các phương pháp tính, các thuật giải
hiện đại đã làm cho khả năng giải các bài toán khác nhau trở nên linh động và đơn
giản như phương pháp Gradien, phương pháp cổ điển v.v… Tiêu biểu là phương
pháp mômen (the Methode of Moment) và Thuật toán di truyền (Thuật giải di
truyền - Genetic Algorithm).
Thuật toán di truyền thuộc nhóm kỹ thuật trong trí tuệ nhân tạo nhằm mô
phỏng các hiện tượng tự nhiên: kế thừa, đấu tranh sinh tồn để cải thiện giống 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 diện phần mềm tiện ích cho người sử dụng và thực hiện thiết kế hoàn
chỉnh anten thực.
Trong khuôn khổ giới hạn của luận văn cùng khả năng kiến thức và thời gian
nghiên cứu còn hạn chế, mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy giáo, cô giáo và các bạn học viên để đề tài được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày…….tháng…….năm 2014
Tác giả
Vũ Lê Hải

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

of Moment) và Thuật giải di truyền (Genetic Algorithm).
Phương pháp mômen là một trong những phương pháp thường dùng để giải
các loại phương trình toán tử nói chung một cách thuận lợi. Bản chất của phương
2
pháp này là sử dụng các hàm khai triển và các hàm trọng lượng để chuyển phương
trình toán tử thành phương trình ma trận sau đó giải phương trình ma trận bằng các
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 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 - Chu kỳ [3].Do vậy, từ những vấn 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
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

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 tử đối xứng.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
4
CHƢƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về anten
Mỗi một thiết bị vô tuyến điện đều phải có anten. Thiết bị phát có anten phát,
thiết bịthu có anten thu. Anten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dao
động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng lượng của sóng điện từ tự do
và phát xạ vào không gian theo một qui luật xác định.Anten thulà thiết bị dùng để
thu năng lượng của sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoài tới theo một qui luật
xác định và biến đổi năng lượng này thành năng lượng của dao động liên kết trong
anten và cung cấp cho máy thu.
Như vậy, trên anten phát và anten thu đều có quá trình biến đổi năng lượng.
Trong quá trình đó có sự tổn hao nhiệt do kim loại làm anten cũng như các chất điện
môi cách điện không phải là lý tưởng.
1.1.1. Sơ lƣợc về lịch sử phát triển anten
Ngày nay, sự phát triển kỹ thuật trong các lĩnh vực radar, thông tin, điều khiển
v.v… cũng 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 [5]. Sóng điện từ, nền tảng
của lý thuyết anten, được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện
học và từ học. Maxwell đã hệ thống một cách khái quát toàn bộ lý thuyết trên thành
một hệ phương trình rất nổi tiếng và rất quan trọng: hệ phương trình Maxwell. Một
vài mốc quan trọng trong lịch sử phát triển của Anten như sau:
 Năm 1886: Nhà vật lý người Đức Hemrich Rudoff Hertz bằng lý luận và
thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cực Hertz

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

6
Ở hệ thống phát anten đóng vai trò như là thành phần bức xạ sóng điện từ, nó
chuyển tín hiệu điện thành năng lượng điện từ lan truyền trong không gian tự do.
Khi đến anten thu thì năng lượng điện từ được biến đổi thành tín hiệu điện ở máy
thu, ở đây tín hiệu được trả về dạng ban đầu của nó.
1.1.3. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện
Việc truyền năng lượng điện từ trong không gian có thể thực hiện được bằng
hai con đường. Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dây
song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng v.v… để “chuyên chở” sóng điện từ trực
tiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện. Sóng điện từ lan truyền trong hệ thống
này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến). Cách truyền này có độ chính xác
cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền, với khoảng cách
khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyền hữu tuyến thì
cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ra môi trường tự
do. Sóng sẽ được truyền đi dưới dạng sóng điện từ tự do (vô tuyến) từ nơi phát đến
nơi thu. Vậy cần phải có một thiết bị phát sóng điện từ ra không gian cũng như thu
nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu. Loại thiết bị này được coi là
anten.
Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vô tuyến
điện tử nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụng sóng điện
từ, thì không thể không dùng đến thiết bị bức xạ hoặc thu sóng điện từ. Một hệ
thống liên lạc vô tuyến đơn giản bao gồm máy phát, máy thu, anten phát và anten
thu. Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máy thu và anten thu
không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đường truyền năng lượng
điện từ gọi là feeder. Trong hệ thống này, máy phát có nhiệm vụ tạo ra dao động
điện cao tần. Dao động điện sẽ được truyền đi theo các feeder tới anten phát dưới
dạng sóng điện từ ràng buộc. Anten phát có nhiệm vụ biến đổi thành sóng điện từ tự
do bức xạ ra không gian. Cấu tạo của anten sẽ quyết định đặc tính biến đổi năng
lượng điện từ nói trên. Anten thu có nhiệm vụ ngược với anten phát, nó tiếp thu

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

dọc mặt đất, còn trong rada thông tin cần phát xạ trong một hình quạt hẹp nhằm để
tập trung năng lượng về phía đài đối diện. Anten cũng phải có tính chất thu định
8
hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là
phương tiện chống nhiễu có hiệu quả.
1.1.4.2. Phối hợp trở kháng
Anten phải bảo đảm phát và thu năng lượng cực đại. Do đó mà có thể xem
anten như một thiết bị phối hợp giữa feeder và không gian tự do.
1.1.4.3. Dải tần
Dao động điện từ biến điệu mang tin tức từ máy phát qua feeder tới anten. Để
thông tin không bị méo,anten phải có một dải tần nhất định. Để chống nhiễu thường
dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiện chuyển
sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhau vào ban
ngày và ban đêm. Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau mà không có
sự thay đổi đáng kể về chất lượng.
1.1.4.4. Tính phân cực
Tính phân cực cũng phải tùy yêu cầu cụ thể. Chẳng hạn anten phải đặt trên vật
thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường không thay
đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cực tròn hay
phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đường tròn hay
elip).Để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bất đồng nhất của
tần số đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của anten phải thay đổi theo
một chương trình nhất định.
1.2. Lý thuyết cơ bản về Anten
1.2.1. Quá trình bức xạsóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc
từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ.Tuy nhiên trong thực tế sự
bức xạ sóng điện từ chỉ xảy ra trong những điều kiện nhất định [5].
Để ví dụ ta xét một mạch dao động có kích thước rất nhỏ so với bước sóng
(hình 1.2a).Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của

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

trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi, từ trường này sẽ tiếp tục tạo ra một
điện trường xoáy, nghĩa là đã hình thành một quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng thoát ra ngoài và truyền đi trong không gian tự do được gọi
là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công. Phần năng lượng điện từ ràng buộc
với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thành sóng điện
từ, được gọi là năng lượng vô công.
Ta nhận thấy rằng, một hệ thống bức xạ điện từ có hiệu quả là một hệ thống
mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhập được
nhiều vào không gian bên ngoài. Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệ thống,
ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điện trường.
Dipole Hertz là một cấu trúc bức xạ có hiệu quả. Nó được hình thành từ các hệ
thống điện từ nói trên với sự biến dạng hai tấm kim loại của tụ điện thành hai đoạn
dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu. Dipole Hertz là một trong các
nguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành các anten dây phức
tạp[5].
1.2.2. Vận tốc lan truyền sóng điện từ
Giả sử sóng điện từ truyền lan trong môi trường không tổn hao. Trong chế độ
dao động điều hòa, giá trị tức thời của một trong các thành phần bất kỳ của vectơ E
hoặc H trên trục của hệ toạ độ vuông góc sẽ có dạng:

(1.1)
Trong đó:
ω - tần số góc; ω = 2πƒ với ƒ là tần số; β - hệ số pha.
Ở đây trục z được coi là hướng truyền sóng. Từ (1.1) ta thấy sự biến đổi pha
của trường dọc theo hướng truyền sóng được xác định bởi đại lượng (ωt - βz).
Từ đây ta xác định được vận tốc pha của sóng:
11

(1.2)
Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao động điều

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