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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/

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

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

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

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

Chương 1 Cơ sở lý thuyết ……… 4

1.1 Giới thiệu sơ lược về anten ……… 4

1.1.1 Sơ lược 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 phương trình Maxwell ……… 15

1.2.5 Hệ số tác dụng định hướng 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

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 chương I ……… 31

Chương 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 Cường độ trường 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 tương 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 bước 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

Kết luận chương 2 ……… 64

Chương 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 lượng 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 Phương 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 chương 3 ……… 84

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ……… 85

4.1 Kết quả mô phỏng ……… 85

4.1.1 Trường hợp 1 ……… 85

4.1.2 Trường hợp 2 ……… 86

4.1.3 Trường 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

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 chương 4 ……… 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

* 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

Phần ảo trở kháng vào anten Imaginary

k Số sóng trong không gian tự do

Phần thực trở kháng vào an ten Real part

Trở kháng vào

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

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 tiếp tuyến trên bề mặt dậy dẫn 40

Hình 2.5 Điển kích thích điện trường 41

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

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 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 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

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 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

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

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

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

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 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

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 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

 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

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

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 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

hướng, cùng với độ chọn lọc của máy thu, tính chọn lọc theo hướng của anten là phương tiện chống nhiễu có hiệu quả

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

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,

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:

(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

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

là giá trị trung bình ứng với tần số trung bình và vận tốc pha ở tần số

Sau khi thay (1.7) vào (1.6)

Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãy khai triển (1.7) Khi ấy tích phân (1.6) sẽ trở thành:

Trong đó: là đạo hàm tại

Tiếp theo ta đưa biến số tích phân mới , sẽ nhận được:

Giả thiết là hàm liên tục, biến đổi chậm Khi đó trong khoảng nhỏ

nó có thể được coi là hằng số, bằng Trong trường hợp này

(1.8)

Trong đó: là argumen của số phức (

Vì nhỏ nên hàm số:

Vì nhỏ nên hàm số là biến đổi chậm theo biến số t và z Vì vậy có thể coi hàm số là biên độ của sóng: Với , hàm

sẽ là đường bao của tín hiệu có phổ hẹp

Từ (1.9) khi tăng thời gian, đường bao sẽ dịch chuyển theo trục z và cực đại

sự tán tần, còn môi trường mà trong đó có xảy ra hiện tượng này được gọi là môi trường tán tần

Hiện thống định hướng mà chúng ta đang xét cũng có đặc tính trên

(1.12)

Còn hệ số pha:

Áp dụng (1.10) hoặc (1.11) đối với vận tốc nhóm:

(1.9)

(1.13)

Và:

Như vậy, trong môi trường không có đặc tính tán tần thì tín hiệu có dạng bất

kỳ sẽ truyền lan với vận tốc υ và dạng của tín hiệu không bị biến đổi

1.2.3 Dải tần và dải tần công tác của anten

1.2.3.1 Dải thông tần

Ngoài các đặc tính bức xạ của anten về năng lượng, khi khảo sát anten còn cần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần, nghĩa là dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng Thông thường, trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, tín hiệu

số, tín hiệu vô tuyến truyền hình, v.v…) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợp anten là một anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten là một anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng feeder tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong feeder Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua feeder thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu Vì vậy tốt nhất là phải bảo đảm được trong suốt dải tần số

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được), đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế, độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số

1.2.3.2 Dải tần công tác

Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc được ở một tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần,v.v Dải tần mà trong giới hạn đóanten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể Ví dụ đối với anten chấn

tử không đối xứng đặt thẳng đứng dùng làm anten phát ở dải sóng dài và sóng trung thì yêu cầu là trong dải tần số công tác, hiệu suất anten không được nhỏ hơn một giá trị nhất định, anten phải có khả năng phát đi một công suất đã cho và đảm bảo dải thông tần cần thiết Đối với trở kháng vào thì không cần yêu cầu có giá trị nhất định

mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh lại để phối hợp trở kháng Đối với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắn thì yêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đại không thay đổi khi thay đổi tần số công tác để đảm bảo hướng thông tin cố định, yêu cầu trở kháng vào chỉ biến đổi trong một giới hạn cho phép để có thểchuyển tần số công tác mà không cần điều chỉnh lại mạch phối hợp trở kháng của anten v.v…

Căn cứ theo dải tần công tác, có thể phân loại anten thành bốn nhóm:

-Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn): 10%

-Anten dải tần tương đối rộng:

-Anten dải tần rộng:

-Anten dải tần siêu rộng:

Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác được gọi là hệ số bao trùm dải sóng [1]

1.2.4 Hệ phương trình Maxwell

Lý thuyết anten được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện động lực học: các phương trình Maxwell Phương trình Maxwell ra đời đã mở khả

năng có thể tạo được sóng điện từ trong không gian Năm 1887, khả năng đó đã được Hertz xác nhận bằng thực nghiệm, với phần tử bức xạ do ông tạo ra Phần tử này sau được mang tên ông, gọi là dipôl Hertz [5] Với giả thiết quá trình biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dưới dạng phức Nếu biểu thị dưới dạng số phức thìvectơ tức thời của cường độ điện trường:

hoặc:

Trong đó: - là biên độ phức của trường

Đối với dao động điện từ phức tạp, ta có thể coi nó là tổng của vô số các dao động điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Coi môi trường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

(1) (2) (3) (4)

(1.14)

Trong đó:

- biên độ phức của vectơ cường độ điện trường

- biên độ phức của vectơ cường độ từ trường

- hệ số điện thẩm phức của môi trường

-hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường

Đối với môi trường chân không

- hệ số từ thẩm của môi trường

- điện dẫn suất của môi trường

- biên độ phức của vectơ mật độ dòng điện

- mật độ khối của điện tích

Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích Nhưng trong một số trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng và từ tích Khái niệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trong thiên nhiên

Hệ phương trình Maxwell khi không có dòng điện và điện tích nhưng có dòng

từ và từ tích ngoài sẽ được viết dưới dạng:

(1) (2) (3) (4)

(1.15)

Trong đó:

- biên độ phức của mật độ vòng từ

- mật độ khối của từ tích

So sánh hai hệ phương trình (1.14)và (1.15) ta thấy chúng có dạng giống nhau

và thực chất chỉ khác nhau về vị trí của các vectơ và Chúng ta có thể nhận được một trong hai hệ nếu đã biết được hệ kia bằng cách thực hiện phép đổi lẫn sau:

(1.16)

Trường trên bề mặt vật dẫn điện lý tưởng phải thoả mãn điều kiện bờ:

(1.17) Trong đó:

- thành phần tiếp tuyến của cường động điện trường trên bề mặt vật dẫn

- thành phần pháp tuyến của cường độ từ trường trên bề mặt vật dẫn

- vectơ mật độ dòng điện mặt

- vectơ pháp tuyến ngoài của bề mặt vật dẫn

Theo nguyên lý đổi lẫn (1.16) ta thấy trường trên bề mặt của vật dẫn từ lý tưởng phải thõa mãn các điều kiện bờ sau:

(1.18) Trong đó:

- vectơ mật độ dòng từ mặt

Về trị số:

Trong trường hợp tổng quát hệ phương trình Maxwell được viết:

(1) (2) (3)

(1.21)

Để giải hệ(1.15), người ta đưa ra vectơ thế từ Theo (3) của hệ(1.15)

(1.22) Tương tự, vectơ trường từ của phương trình1.20 được biểu thị qua :

Các biểuthức (1.26)là các phương trình sóng không đồng nhất Lời giải của chúng có dạng ở thế chậm:

Trong đó:

là vận tốc ánh sáng chân không

- bước sóng trong chân không

Nếu dòng điện hoặc dòng từ phân bố trên mặt S thì các thế chậm sẽ được tính theo công thức:

của mỗi anten được đánh giá bằnh cách so sánh anten ấy với một anten chuẩn mà

hướng tính của nó đã được biết một cách rõ ràng

1.2.5.1 Hệ sốtác dụng định hướng

Hệ số định hướng của anten ở một hướng đã cho: là tỷ số của mật độ công suất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suất bức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suất bức xạ của hai anten giống nhau Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vô hướng giả định, hoặc một nguồn nguyên tố nào đó đã biết

(1.30)

Trong đó:

- là mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đã cho tại

khoảng cách r

- là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giả

thiết anten bức xạ đồng đều theo mọi hướng

(1.31)

(1.32)

Với - biên độ cường độ bức xạ ở hướng

W - trở kháng sóng của môi trường

- công suất bức xạ của anten chuẩn

r - khoảng cách tại điểm đang xét đến anten

Thay vào ta có:

(1.33)

Biên độ cường độ bức xạ tại một hướng bất kì có quan hệ với hàm phương hướng chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại như biểu thức sau:

(1.34) Suy ra:

(1.35)

1.2.5.2 Hệ số tăng ích của anten

Hệ số tăng ích của anten cũng được xác định bằng cách so sánh mật độ công suất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn (thường là anten vô hướng) ở cùng hướng và khoảng cách như trên, với giả thiết công suất đặt vào hai anten bằng nhau, còn anten chuẩn có hiệu suất bằng 1 Hiệu suất của anten cũng là một trong số các thông số đặc trưng cho mức

độ tổn hao công suất của anten Nó được xác định bởi tỷ số của công suất bức xạ trên công suất đặt vào anten

(1.38)

Trong đó:

- công suất đưa vào anten

Đối với anten có tổn hao thì , còn anten lý tưởng (không tổn hao) thì

Trường hợp hai anten có công suất đặt vào như nhau bằng thì anten thực (hiệu suất ) sẽ có công suất bức xạ Như vậy so với khi công suất bức

xạ bằng nhau thì trong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi với hệ số giảm bằng

Ta có biểu thức hệ số tăng ích của anten:

(1.39)

Hệ số tăng ích của anten là một thông số biểu thị đầy đủ hơn cho đặc tính bức

xạ của anten so với hệ số định hướng, vì nó không chỉ biểu thị đơn thuần đặc tính định hướng của anten mà còn biểu thị sự tổn hao trên anten

1.3 Phân loại và các loại anten thông dụng

1.3.1 Phân loại anten

Anten có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, thông thường theo các cách phân loại sau:

- Công dụng của anten: Anten có thể được phân loại thành anten phát và anten thu hoặc anten thu phát dùng chung Thông thường anten làm nhiệm vụ cho cả phát

và thu

- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóng ngắn

và anten sóng cực ngắn

- Cấu trúc của anten: Anten có hướng và anten vô hướng

- Phương pháp cấp điện cho anten: Anten đối xứng và anten không đối xứng

1.3.2 Các loại anten thông dụng

1.3.2.1 Anten dàn chấn tử

Anten dàn chấn tử hay còn gọi là dàn anten do hai hay nhiều chấn tử đơn hợp thành Mỗi phần tử đơn là một chấn tử đối xứng riêng rẽ có chiều dài một phần tư bước sóng hoặc nửa bước sóng Chúng được sắp xếp sao cho các trường bức xạ của các chấn tử riêng rẽ cộng với nhau tạo nên trường bức xạ tổng tập trung năng lượng trong búp sóng hẹp theo phương mong muốn

Có hai cách bố trí các chấn tử trong một dàn chấn tử: đặt các chấn tử thẳng hàng dọc theo trục của chấn tử hoặc đặt các chấn tử song song với nhau, vuông góc với trục của chấn tử Việc sắp xếp các chấn tử như vậy được gọi là sắp xếp theo

hàng và cột

Dàn chấn tử đồng pha

Cấu tạo: Anten thường bao gồm một số chấn tử nửa sóng được sắp xếp thành

hàng và cột trong mặt phẳng, với khoảng cách giữa các chấn tử bằng nửa bước sóng công tác theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang (hình 1.3) Số chấn tử dùng trong hàng và cột thường chẵn Để tiếp điện đồng pha cho các chấn tử có thể dùng sơ đồ mắc liên tiếp, đường dây feeder bắt chéo (hình 1.3a), hoặc bằng cách mắc song song từng cấp (hình 1.3b)

Hình 1.3 Dàn chấn tử đồng pha

Hình 1.3a, chiều dòng điện chạy trên các chấn tử được vẽ bởi các mũi tên Việc bắt chéo đường dây tiếp điện giữa hai tầng nhằm đảm bảo tiếp điện đồng pha cho chấn tử ở các tầng

Hình 1.3b, với cách mắc song song từng cấp có thể dễ dàng nhận thấy rằng độ dài của đường feeder tiếp cho các chấn tử sẽ có giá trị như nhau, do đó pha của dòng điện tiếp cho các chấn tử của dàn anten giống nhau

Ứng dụng: Anten dàn chấn tử đồng pha được sử dụng trong thực tế ở dải sóng

ngắn và sóng cực ngắn

1.3.2.2 Anten Yagi

Cấu tạo: Gồm một chấn tử chủ động (chấn tử được cấp nguồn) thường là

chấn tử vòng dẹt nửa sóng, một chấn tử phản xạ thụ động và một số chấn tử dẫn xạ thụ động (là chấn tử không được cấp nguồn) Các chấn tử được gắn trực tiếp trên một thanh đỡ thông thường bằng kim loại (hình 1.4) Việc gắn trực tiếp các chấn tử lên thanh kim loại thực tế không ảnh hưởng gì đến các tham số của anten vì điểm giữa của các chấn tử nửa sóng là nút của điện áp đặt và các chấn tử đặt vuông góc với thanh kim loại nên không có dòng điện cảm ứng trong thanh

Hình 1.4 Anten Yagi

Ứng dụng: Đây là loại anten đang được sử dụng rộng rãi ở băng sóng ngắn

cũng như băng sóng cực ngắn Hoạt động của anten này có nhiều ưu điểm về thông

số điện, đơn giản về cấu trúc, rất phù hợp với các loại máy thu của hệ thống thông tin vô tuyến trong gia đình Trong dải sóng ngắn, chấn tử thường được làm từ dây dẫn hợp kim hoặc lưỡng kim có độ dẫn điện tốt và sức bền cơ học cao

1.3.2.3 Anten loga – chu kỳ

Để mở rộng dải tần công tác của anten ta có thể dựa vào nguyên lý tương tự của điện động học: Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công tác và tất cả các kích thước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như: đồ thị phương hướng, trở kháng vào v.v… sẽ không biến đổi Dựa vào nguyên lý này có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau nhưng tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định Khi anten làm việc với một tần số nào đó, chỉ có một khu vực nhất định của anten tham gia vào quá trình bức xạ và được gọi là miền bức xạ Khi thay đổi tần công tác thì miền bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình

học của các phần tử bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thước hình học của các phần tử bức xạ so với bước sóng công tác mới Đây chính là nguyên lý cấu tạo anten loga – chu kỳ

Hình 1.5 Anten loga – chu kỳ

Cấu tạo: Anten loga – chu kỳ được cấu tạo từ nhiều chấn tử có độ dài khác

nhau và đặt ở khoảng cách khác nhau Anten được tiếp điện bằng feeder đối xứng hay cáp đồng trục

Kích thước và khoảng cách của các chấn tử biến đổi dần theo một tỷ lệ nhất định Hệ số tỷ lệ này được gọi là chu kỳ của anten, và được xác định:

Trong đó: d là khoảng cách giữa các chấn tử, còn là chiều dài chấn tử

Đặc tính của anten loga chu kỳ được xác định bởi hai thông số chủ yếu: chu kỳ

và góc mở

Ứngdụng:Sử dụng trong băng sóng ngắn và cực ngắn Có khi còn dùng làm

bộ chiếu xạ cho anten gương

1.3.2.4 Anten khe

Anten khe được sử dụng chủ yếu ở băng vi ba Trong thực tế khe bức xạ có những dạng chữ nhật (khe thẳng) hoặc hình tròn (khe hình vành khăn) và được cắt trên các mặt kim loại có hình dạng và kích thước khác nhau: trên thành hốc cộng hưởng, thành ống dẫn sóng hình chữ nhật hoặc tròn, trên các tấm kim loại phẳng, cánh máy bay v.v… kích thước của mặt kim loại có thể khá hơn so với bước sóng nhưng cũng có thể chỉ vài bước sóng công tác

 Anten khe nửa sóng

Nếu trên thành ống dẫn sóng hay hốc

cộng hưởng cắt một khe hẹp có chiều dài

bằng 1 nửa bước sóng công tác thì chúng

ta sẽ có một anten khe nửa sóng, nghĩa là

khe chỉ bức xạ vào một nửa không gian

Dưới tác dụng của sức điện động đặt

vào khe, trong khe sẽ xuất hiện các

đường sức điện trường hướng vuông góc

với hai mép khe Hình 1.6 Anten khe nửa sóng

Điện áp giữa hai mép khe bằng tích của cường độ điện trường với độ rộng của khe (U=E.b) Ta có thể coi gần đúng mỗi nửa khe giống như một đoạn đường dây song hành mà hai nhánh dây là hai mép khe được nối tắt đầu cuối (tại ) Khi

ấy phân bố điện áp dọc theo khe sẽ tuân theo quy luật sin, có nút điện áp ở cuối khe

và bụng điện áp ở giữa khe Vì điện áp giữa hai mép khe tỷ lệ với điện trường trong khe nên có thể thấy rằng phân bố của điện trường dọc theo khe cũng tuân theo quy luật sóng đứng

 Anten khe - ống dẫn sóng

Trên thành ống dẫn sóng chữ nhật hay hình tròn, nếu cắt một hay nhiều khe có

độ dài bằng nửa bước sóng (gọi là khe nửa sóng), thì ta sẽ được anten khe - ống dẫn sóng Nếu khe nằm trên thành ống dẫn sóng cắt ngang các đường sức mật độ dòng điện, thì dòng điện dẫn trên thành ống sẽ bị gián đoạn tại các khe hở và chuyển thành dòng điện dịch, chảy vuông góc với hai mép khe.Trong khe sẽ hình thành điện trường từ tương ứng với dòng điện dịch và giữa hai mép khe sẽ phát sinh điện áp.Nếu chiều của khe vuông góc tương ứng với đường sức mật độ dòng điện mặt hình thành phần dòng điện dịch chảy ngang mép khe là cực đại, khe được kích thích mạnh nhất Nếu đặt khe dọc đường sức mật độ dòng điện mặt thì không có dòng điện dịch chảy ngang mép khe, nghĩa là khe không được kích thích và nó sẽ không bức xạ năng lượng