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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

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:
1. TS. VŨ VIỆT VŨ

THÁI NGUYÊN - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

/>

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


3

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 …………………………………………………………….
Lời cảm ơn ……………………………………………………………….
Mục lục …………………………………………………………………..
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ………………………………….
Danh mục bảng …………………………………………………………..
Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị …) ………………………
Lời nói đầu ……………………………………………………………….
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………...
NỘI DUNG ……………………………………………………………...
Chương 1. Cơ sở lý thuyết ……………………………………………..
1.1. Giới thiệu sơ lược về anten ………………………………………..
1.1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển anten ……………………………...
1.1.2. Hệ thống thu phát ………………………………………………..
1.1.3. Vị trí của anten trong kỹ thuật vô tuyến điện ………………….
1.1.4. Những yêu cầu cơ bản của 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 cơ bản về Anten ………………………………………...
1.2.1. Quá trình bức xạ sóng điện từ …………………………………..
1.2.2. Vận tốc lan truyền sóng điện từ ………………………………...
1.2.3. Dải tần và dải tần công tác của anten …………………………..
1.2.3.1. Dải thông tần ……………………………………………………
1.2.3.2. Dải tần công tác …………………………………………………
1.2.4. Hệ phương trình Maxwell ……………………………………….
1.2.5. Hệ số tác dụng định hướng D và hệ số tăng ích G ……………..
1.2.5.1. Hệ số tác dụng định hướng ……………………………………...

1.2.5.2. Hệ số tăng ích của anten ………………………………………...

i
ii
iii
vii
viii
ix
xii
1
2
4
4
4
5
6
7
7
8
8
8
8
8
10
14
14
15
15
19
20

21


4

1.3. Phân loại và các 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 trên chấn tử đối xứng ……………………...
2.1.2.1. Phương pháp mômen ……………………………………………
2.1.2.2. Áp dụng phương pháp moomen tnh chính xác phân bố dòng
điện trên chấn tử đối xứng ……………………………………………….
2.1.3. Trở kháng vào của chấn tử ……………………………………...
2.1.4. Cường độ trường ở vùng gần của chấn tử đối xứng …………..
2.1.5. Công suất bức xạ phức và trở kháng bức xạ của chấn tử đối
xứng ……………………………………………………………………...
2.1.6. Trở kháng tương hỗ giữa hai chấn tử …………………………..
2.1.7. Chấn tử thụ động và 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 toán mô hình anten ……………………………...
2.2.4. Dải thông của anten dẫn xạ ……………………………………..
2.3. Tiếp điện và phối hợp trở kháng cho anten ……………………...
2.3.1. Tiếp điện cho chấn tử bằng dây song hành …………………….
2.3.2. Tiếp điện bằng 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


5

Kết luận chương 2 ………………………………………………………
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 và chọn lọc (phép tái sinh và 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 toán tham số anten sử dụng thuật giải di
truyền ……………………………………………………………………
3.3.2.1. Tổng quan về phương pháp tính toán …………………………...
3.3.2.2. Lưu đồ thuật toán thiết kế anten Yagi …………………………..
3.3.2.3. Các bước thực hiện tnh toán ……………………………………
Kết luận chương 3 ………………………………………………………
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ……………………….
4.1. Kết quả mô phỏng …………………………………………………
4.1.1. Trường hợp 1 …………………………………………………….
4.1.2. Trường hợp 2 …………………………………………………….
4.1.3. Trường hợp 3 …………………………………………………….
4.1.4. Nhận xét …………………………………………………………..
4.2. Thực nghiệm ……………………………………………………….
4.2.1. Khảo sát đặc tính anten bằng phần mềm PCAAD ……………
4.2.1.1. Giới thiệu phần mềm PCAAD 5.0 ………………………………
4.2.1.2. Khảo sát đặc tính của anten ……………………………………..
4.2.1.2.1. Nhập thông số của anten ………………………………………
4.2.1.2.2. Kết quả 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


6

4.2.1.2.3. Nhận xét ……………………………………………………….
4.2.2. Chế tạo anten …………………………………………………….
4.2.3. Khảo sát mức độ thu tn hiệu của anten ……………………….

4.2.3.1. Giới thiệu phần mềm Vistumbler ……………………………….
4.2.3.2. Khảo sát anten bằng phần mềm Vistumbler …………………….
4.2.3.3. Kết quả thu mức tn hiệu của anten ……………………………..
4.2.3.4. Nhận xét …………………………………………………………
Kết luận chương 4 ………………………………………………………
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 trong không gian tự do

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 trong không gian tự do
Phương pháp mômen

Method of Moment

Phần thực trở kháng vào an ten

Real part

Trở kháng vào

8

DANH MỤCBẢNG
Bảng 3.1. Danh sách nhiễm sắc thể và hàm lượng giá......................................75
Bảng 3.2. Các nhiễm sắc thể được 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


9

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 gương
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 trường M’(x’, y’, z’) ...............................................40
Hình 2.4. Phân bố điện trường tếp tuyến trên bề mặt dậy dẫn.........................40
Hình 2.5. Điển kích thích điện trường...................................................................41


10

Hình 2.6. Hệ anten đơn
giản...................................................................................44
Hình 2.7. Mẫu phát xạ của anten phát vô hướng.................................................47
Hình 2.8. Giản đồ phương hướng 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
hướng......................................................................................................................
..48
Hình 2.10. Mẫu phát xạ của anten Yagi................................................................50
Hình 2.11. Chấn tử đối xứng
gập...........................................................................50

11

Hình 2.12. Cấu tạo anten
Yagi...............................................................................51
Hình 2.13. Sơ đồ
anten............................................................................................54
Hình 2.14. Sơ đồ tếp điện kiểu Y..........................................................................58
Hình 2.15. Sơ đồ tếp điện kiểu
T...........................................................................59
Hình 2.16. Sơ đồ tếp điện cho chấn tử vòng dẹt..................................................60
Hình 2.17. Sơ đồ mắc trực tếp 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. Lưu đồ thuật toán thiết kế anten dẫn đường.......................................81
Hình 4.1. Đồ thị phương hướng của anten Yagi 3 chấn tử..................................86
Hình 4.2. Đồ thị phương hướng của anten Yagi 7 chấn tử..................................87
Hình 4.3. Đồ thị phương hướng của anten Yagi 10 chấn tử................................88
Hình 4.4. Giao diện desktop của chương trình PCAAD 5.0................................89
Hình 4.5. Giao diện chính của chương 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


12

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


13

Hình 4.17. Anten và usb wif 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 hướng 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 tnh, các phương pháp tnh, 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 tnh 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 tnh, 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
tnh, 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 tnh 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 tnh 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 têu 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 tượng 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. Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp phân tch, 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 tnh để phân tch, 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 tnh 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

CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu sơ lược 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 lược 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 tn 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 tn
hiệu ở khoảng các 3 dặm (gần 5km).
 Năm 1901: Guglielmo Marconi đã có thể truyền tn 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 tn 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 tn 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 tn hiệu điện

ở máy thu, ở đây tn 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 tnh 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 tn 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 tn 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 tn 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 tnh 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 tn 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 tn 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 hướng
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 tnh (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 tch 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 tch 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 tch 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 tch
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 tch 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,