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

Đểgóp phần vào sự phát triển của kỹthuật 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

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 ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

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 ht t p: / /ww w .lr c- tnu.edu.vn/

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, bảnthân 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 sựphát triển của ngành Điện tử viễn thông nói chung và kỹ thuật anten trong các hệthống vô tuyến điện nói riêng đã ngày càng hoàn thiện hơn, góp phần quan trọngtrong công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc Đểgóp phần vào sự phát triển của kỹthuật 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 sinhviên 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 CôngNghiệp - Đại học Thái Nguyên.Đến nay đề tài luận văn của tác giả đã được hoànthành Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài do kinh nghiệm và vốn hiểubiết còn hạn chế.Vì vậy, không tránh khỏi những thiếu xót tác giả rất mong nhậnđược sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo – cô giáo và các bạn đồng nghiệp đểluận 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

vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trở kháng vào

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

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 ngoàikhông 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 hệphương trình Maxwell Từ năm 1886 cho đến nay sự phát triển và ngày càng hoànthiện của kỹ thuật anten đã góp phần quan trọng vào công cuộc phát triển chungcủa kỹ thuật vô tuyến điện

Anten được ứng dụng trong tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến như: phátthanh, 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 nhưmong muốn Sự trợ giúp đắc lực của máy tính, các phương pháp tính, các thuậtgiải hiện đại đã làm cho khả năng giải các bài toán khác nhau trở nên linh động vàđơn giản như phương pháp Gradien, phương pháp cổ điển v.v… Tiêu biểu làphương 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 môphỏng 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 dụngrất rộng rãi trong lĩnh vực anten Trong phạm vi nghiên cứu tác giả đã tìm hiểu vềphương 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 xâydựng nên giao diện phần mềm tiện ích cho người sử dụng và thực hiện thiết kếhoàn chỉnh anten thực

Trong khuôn khổ giới hạn của luận văn cùng khả năng kiến thức và thời giannghiên cứu còn hạn chế, mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn chắc chắnkhông tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến củacác 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 nhânquan 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 phátthanh, truyền hình, rađa, thiên văn[5]

Đối với anten phát, nó không chỉ có nhiệm vụ đơn giản là biến đổi năng lượngđiện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà còn có nhiệm vụ bức xạ sóng điện từtheo những hướng, những vùng phục vụ nhất định với các yêu cầu kỹ thuật chotrước.Đối với anten thu, có nhiệm vụ ngược lại với anten phát, nghĩa là tiếp nhậnsóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúng thành sóng điện từ ràngbuộc 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 dẫnđường) 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…Antennày 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 antenYagi 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 khôngnhững 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 nóiriêng 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 phươngpháp tính, các thuật giải hiện đại ra đời đã làm cho khả năng giải các bài toán khácnhau trong thực tế trở nên đơn giản hơn Tiêu biểu là phương pháp mômen (theMethode 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 phươngtrình toán tử thành phương trình ma trận sau đó giải phương trình ma trận bằngcác 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 rãitrong các lĩnh vực và đặc biệt là lĩnh vực anten Thuật giải di truyền thuộc nhóm kỹthuật trí tuệ nhân tạo nhằm mô phỏng các hiện tượng tự nhiên: kế thừa và đấutranh 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 nhiềumục 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 nhữngđặc 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], antenLoga - 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 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 nghiêncứu 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 antenYagi, 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, hệthống hóa, khái quát hóa để xây dựng cơ sở lý luận Sưu tầm, đọc, tra cứu, nghiêncứu tài liệu, sách báo có liên quan đến vấn đề nghiên cứu, phân tích tổng hợp hệthống hóa theo mục đích nghiên cứu của đề tài

- Phương pháp quan sát: Quan sát các tham số tối ưu của anten chấn tử đốixứng

- Phương pháp chuyên gia: Xin ý kiến các chuyên gia để xây dựng các tham sốtối 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.

7 Cấu trúc của đề tài.

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục Nộidung 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 antenphát, thiết bịthu có anten thu Anten phát là thiết bị dùng để biến đổi năng lượngcủa dao động điện từ liên kết từ máy phát đưa tới thành năng lượng của sóngđiện từ tự do và phát xạ vào không gian theo một qui luật xác định.Anten thulàthiết bị dùng để thu năng lượng của sóng điện từ tự do từ không gian bên ngoàitới theo một qui luật xác định và biến đổi năng lượng này thành năng lượng củadao 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 chấtđiện 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, điềukhiển v.v… cũng đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thusóng điện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu [5] Sóng điện từ, nềntảng của lý thuyết anten, được xây dựng trên cơ sở những phương trình cơ bảncủa điện học và từ học Maxwell đã hệ thống một cách khái quát toàn bộ lý thuyếttrên thành một hệ phương trình rất nổi tiếng và rất quan trọng: hệ phương trìnhMaxwell 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 vàthực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu dùng một mạch dao động hở với lưỡng cựcHertz 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 làmphương tiện truyền tín hiệu điện báo không dây dẫn và có khả năng truyền các tínhiệu ở khoảng các 3 dặm (gần 5km)

 Năm 1901: Guglielmo Marconi đã có thể truyền tín hiệu trên khoảng cáchlớn 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

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), hệthống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng lượng cho các phần bức xạvới các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ thống gia công tínhiệu (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 bằnghai con đường Một trong hai con đường là dùng các hệ thống truyền dẫn như dâysong hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng v.v… để “chuyên chở” sóng điện từ trựctiếp trên đường truyền dưới dạng dòng điện Sóng điện từ lan truyền trong hệthống này thuộc hệ thống điện từ ràng buộc (hữu tuyến) Cách truyền này có độchính xác cao nhưng chi phí lớn trong việc xây dựng hệ thống đường truyền, vớikhoảng cách khá xa hay địa hình phức tạp không thể xây dựng được đường truyềnhữu tuyến thì cách truyền này được thay thế bằng cách cho sóng điện từ bức xạ ramôi 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 khônggian cũng như thu nhận sóng điện từ từ không gian, để đưa vào máy thu Loạithiết bị này được coi là anten

Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống vôtuyến điện tử nào, vì đã là hệ thống vô tuyến có nghĩa là hệ thống đó có sử dụngsóng 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, antenphát và anten thu Thông thường giữa máy phát và anten phát cũng như giữa máythu và anten thu không nối trực tiếp với nhau mà được ghép với nhau qua đườngtruyền 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 feedertới anten phát dưới dạng sóng điện từ ràng buộc Anten phát có nhiệm vụ biến đổithành sóng điện từ tự do bức xạ ra không gian Cấu tạo của anten sẽ quyết địnhđặc tính biến đổi năng lượng điện từ nói trên Anten thu có nhiệm vụ ngược vớianten phát, nó tiếp thu sóng điện từ tự do từ không gian ngoài và biến đổi chúngthành 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 thựchiện việc truyền và biến đổi năng lượng với hiệu suất cao nhất và không gây raméo dạng tín hiệu

Anten được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến, vô tuyến truyềnthanh, truyền hình, vô tuyến điều khiển từ xa v.v… Với các đài phát thanh và vôtuyến truyền hình thì anten cần bức xạ đồng đều trong mặt phẳng ngang, để chocác máy thu đặt ở các hướng bất kỳ đề có thể thu được tín hiệu của đài phát Songanten lại cần bức xạ định hướng trong mặt phẳng đứng, với hướng cực đại songsong 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 thôngtin mặt đất hoặc vũ trụ, thông tin chuyển tiếp, rada, vô tuyến điều khiển v.v… thìyêu cầu anten bức xạ với hướng tính cao, nghĩa là sóng bức xạ chỉ tập trung vàomột góc rất hẹp trong không gian Như vậy nhiệm vụ của anten không chỉ là biếnđổi năng lượng điện từ cao tần thành sóng điện từ tự do, mà phải bức xạ sóng ấytheo 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, điềukhiển v.v… đòi hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóngđiện từ mà còn tham gia vào quá trình gia công tín hiệu Anten cần được hiểu làmột 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 bảođảm 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 mọiphía dọc mặt đất, còn trong rada thông tin cần phát xạ trong một hình quạt hẹpnhằm để tập trung năng lượng về phía đài đối diện Anten cũng phải có tínhchất thu định

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 nhiễuthường dùng phương pháp chuyển tần số công tác hoặc để phù hợp với điều kiệnchuyển sóng mà các đài liên lạc sóng ngắn phải làm việc ở các dải tần số khác nhauvào ban ngày và ban đêm Do đó anten phải làm việc ở các dải tần khác nhau màkhông 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 trênvật thể bay phát xạ trường phân cực tuyến tính (hướng vectơ điện trường khôngthay đổi theo thời gian) thì để thu được trường này anten thu phải có phân cựctròn hay phân cực elip (đầu mút vectơ E trong một chu kỳ dao động vẽ nên đườngtròn hay elip).Để đảm bảo khả năng thông tin theo kiểu tán xạ từ các miền bấtđồng nhất của tần số đối lưu có độ tin cậy cao thì đặc trưng hướng của antenphải 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 trườnghoặc từ trường biến thiên đều có khả năng bức xạ sóng điện từ.Tuy nhiên trongthực 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 giancủa tụ điện sẽ phát sinh một điện trường biến thiên, còn trong không gian củacuộn cảm sẽ phát sinh một từ trường biến thiên Những điện trường, từ trườngnày hầu như

không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc bởi các phần tử trong mạch Dòng điện dịchchuyển qua tụ điện theo đường ngắn nhất trong không gian giữa hai má tụ điệnnên năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian ấy Còn nănglượng từ trường tập trung chủ yếu trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộncảm.Năng lượng của cả hệ thống sẽ được bảo toàn nếu không có tổn hao nhiệttrong các dây dẫn và điện môi của mạch

Nếu mở rộng kích thước của tụ điện (hình 1.2b) thì dòng điện dịch sẽ khôngchỉ 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 trongkhoảng không gian bên ngoài Khi đạt tới một khoảng cách khá xa nguồn, chúng sẽthoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là không còn liên hệ với các điện tích trênhai má tụ điện nữa Thật vậy, nếu ta quan sát các đường sức điện trường ở gần tụđiện thì thấy chúng không tự khép kín mà có điểm bắt nguồn là các điện tíchtrên hai má tụ điện Do đó giá trị của điện trường ở những điểm nằm trên đườngsức ấy sẽ biến thiên đồng thời với sự biến thiên của điện tích trên hai má tụđiện Nhưng nếu xét một điểm M cách xa nguồn thì có thể thấy rằng tại một thờiđiểm 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 cònràng 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 thìđiện 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 đượcgọi là năng lượng bức xạ hay năng lượng hữu công Phần năng lượng điện từ ràngbuộc với nguồn sẽ dao động ở gần nguồn, không tham gia vào việc tạo thànhsóng 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 hệthống mà trong đó điện trường hoặc từ trường biến thiên có khả năng thâm nhậpđược nhiều vào không gian bên ngoài Để tăng cường khả năng bức xạ của các hệthống, ta cần mở rộng hơn nữa không gian bao trùm của các đường sức điệntrường 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 điệnthành hai đoạn dây dẫn mảnh và hai quả cầu kim loại ở hai đầu Dipole Hertz làmột trong các nguồn bức xạ đơn giản nhất và là phần tử để cấu trúc thành cácanten 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 độdao 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:

(1.2)Như đã biết vận tốc pha chỉ đặc trưng cho quan hệ pha của các dao độngđiều 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 nhưthế nào Nói cách khác, ta sẽ xác định hàm ƒ(t,z) nếu biết hàm ƒ(t,0) và biết các đặctính 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 cácdao động điều hòa với tần số ω và biên độ

Nhưng khi dao động truyền lan dọc theo trục z, mỗi thành phần

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 phântheo 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 đótích phân trong (1.4)sẽ được lấy trong khoảng , còn tíchphân 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

ấy, Do đó (1.5) có dạng:

(1.6)

(1.7)Sau khi thay (1.7) vào (1.6)

Với khoảng cách phân tích nhỏ, có thể chỉ cần lấy hai số hàng đầu trong dãykhai 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:

(1.9)

Vì nhỏ nên hàm số là biến đổi chậm theo biến số t và z Vì vậy có

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 đạitại điểm

Vận tốc chuyển động theo trục z của cực đại này bằng:

(1.10)Với là vận tốc nhóm Nó xác định vận tốc truyền lan của nhóm sóng hợpthành tín hiệu

Bây giờ ta tìm quan hệ giữa vận tốc pha và vận tốc nhóm

Suy ra:

(1.11)Nếu vận tốc pha không phụ thuộc tần số:

thìTrong vật lý, sự phụ thuộc của vận tốc pha với tần số dao động được gọi là

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

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 còncần lưu ý đến một đặc tính quan trọng nữa là dải thông tần, nghĩa là dải tần số màtrong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo được quá trình bức xạ hoặc thu phổ củatín hiệu không bị méo dạng Thông thường, trở kháng vào của mỗi anten là mộthàm số của tần số Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệuxung, tín hiệu số, tín hiệu vô tuyến truyền hình, v.v…) thì ứng với mỗi tần số khácnhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (trong trường hợpanten là một anten phát) hoặc sức điện động thu được (trong trường hợp anten làmột anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu Khi dùng feedertiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đếntình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong feeder Khi mộttín 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 bảođảm được trong suốt dải tần số làm việc và

Ngoài ra, vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khianten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trườngbức xạ (hoặc thu được), đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gâyméo dạng tín hiệu Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trongthực tế, độ rộng dải tần của anten được quyết định chủ yếu bởi đặc tính phụthuộc 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 ởmột tần số mà nó phải có thể làm việc ở mọi tần số khác nhau Ứng với mỗi tần sốkhác nhau ấy anten phải đảm bảo những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tínhphương hướng, trở kháng vào, dải thông tần,v.v Dải tần mà trong giới hạnđóanten 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 vớianten 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 đượcnhỏ hơn một giá trị nhất định, anten phải có khả năng phát đi một công suất đãcho và đảm bảo dải thông tần cần thiết Đối với trở kháng vào thì không cần yêucầu có giá trị nhất định mà khi thay đổi tần số công tác ta có thể điều chỉnh lại đểphối hợp trở kháng Đối với chấn tử đối xứng nằm ngang dùng trong dải sóng ngắnthì yêu cầu đặc tính phương hướng của chấn tử phải có hướng bức xạ cực đạikhông 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 thểchuyểntần số công tác mà không cần điều chỉnh lại mạch phối hợp trở kháng của antenv.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 baotrùm dải sóng [1]

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 biếnđổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt, cosωt, hoặc viết dướidạng 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 daođộng điều hòa, nghĩa là có thể áp dụng phép phân tích Fourier để biểu thị Coi môitrường khảo sát đồng hướng và đẳng hướng, phương trình Maxwell ở dạng viphân được viết dưới dạng:

Trong đó:

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

(1.14)

- 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

- hệ số từ thẩm của môi trường

Đối với chân không

- 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 trongmột 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 Kháiniệm dòng từ và từ tích chỉ có tính chất tượng trưng vì chúng không tồn tại trongthiên 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:

Trong đó:

- biên độ phức của mật độ vòng từ

- mật độ khối của từ tích

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

(1.15)

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 nhậnđược 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

- 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:

Trong đó:

(1.18)

(4)

Để giải hệ (1.14), người ta đưa ra một vectơ trung gian là vectơ thế điện

eA Theo (4) trong hệ (1.14)ta có thể viết:

Vectơ trường điện của hệ 1.15 có thể biểu thị qua

(1.23)Trường hợp nguồn bao gồm cả nguồn điện và nguồn từ:

(1.24)(1.25)

Thay các giá trị , nhận được ở trên vào hai phương trình đầu của (1.19)tanhận được phương trình sóng của các vectơ thế điện từ:

(1.26)

Ở đây:

là hệ số sóng ( là vân tốc pha của sóng trong môi trường)

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

(1.27)Trong đó:

r -khoảng cách từ điểm xác định hoặc đến điểm nguồn, nghĩa là đếnđiểm có dòng điện hoặc dòng từ trong thể tích V;

- số hạng biểu thị sự chậm pha của vectơ thế và ở khoảng cách rđối với nguồn Trong đó kr là góc chậm pha, k gọi là hệ số sóng.Đối với chân không:

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:

(1.28)Nếu dòng từ hoặc dòng điện phân bố theo đường l thì:

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 côngsuất bức xạ bởi anten ở điểm nào đó nằm trên hướng ấy, trên mật độ công suấtbức xạ bởi anten chuẩn cũng tại hướng và khoảng cách như trên, khi công suấtbức xạ của hai anten giống nhau Anten chuẩn có thể là một nguồn bức xạ vôhướng 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 tạikhoảng cách r

- là mật độ công suất cũng tại hướng và khoảng cách như trên, với giảthiết anten bức xạ đồng đều theo mọi hướng

(1.31)

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:

(1.32)

(1.33)Biên độ cường độ bức xạ tại một hướng bất kì có quan hệ với hàmphương hướng chuẩn hóa và giá trị cường độ trường ở hướng bức xạ cực đại như

biểu thức sau:

Suy ra:

(1.34) (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 côngsuất bức xạ của anten thực ở hướng khảo sát và mật độ công suất bức xạ củaanten 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 suấtbằng 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 xạtrên 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 antenthực (hiệu suất ) sẽ có công suất bức xạ Như vậy so với khi công suấtbức xạ bằng nhau thì trong trường hợp này tỷ số mật độ công suất sẽ giảm đi với

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 theocác cách phân loại sau:

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

- Dải tần công tác của anten: Anten sóng dài, anten sóng trung, anten sóngngắn 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 đơnhợp thành Mỗi phần tử đơn là một chấn tử đối xứng riêng rẽ có chiều dài mộtphần tư bước sóng hoặc nửa bước sóng Chúng được sắp xếp sao cho các trườngbức xạ của các chấn tử riêng rẽ cộng với nhau tạo nên trường bức xạ tổng tậptrung 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 thẳnghàng dọc theo trục của chấn tử hoặc đặt các chấn tử song song với nhau, vuônggóc với trục của chấn tử Việc sắp xếp các chấn tử như vậy được gọi là sắp xếptheo 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 nửabước sóng công tác theo phương thẳng đứng và theo phương nằm ngang (hình1.3) Số chấn tử dùng trong hàng và cột thường chẵn Để tiếp điện đồng pha chocác chấn tử có thể dùng sơ đồ mắc liên tiếp, đường dây feeder bắt chéo (hình1.3a), 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 mũitên Việc bắt chéo đường dây tiếp điện giữa hai tầng nhằm đảm bảo tiếp điệnđồng 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 phacủa 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

vì điểm giữa của các chấn tử nửa sóng là nút của điện áp đặt và các chấn tử đặtvuông 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 vềthông số điện, đơn giản về cấu trúc, rất phù hợp với các loại máy thu của hệthống thông tin vô tuyến trong gia đình Trong dải sóng ngắn, chấn tử thườngđược làm từ dây dẫn hợp kim hoặc lưỡng kim có độ dẫn điện tốt và sức bền cơ họccao

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 kíchthước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như: đồ thịphương hướng, trở kháng vào v.v… sẽ không biến đổi Dựa vào nguyên lý này cóthể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiềukhu vực có kích thước hình học khác nhau nhưng tỷ lệ với nhau theo một hệ sốnhất định Khi anten làm việc với một tần số nào đó, chỉ có một khu vực nhất địnhcủa anten tham gia vào quá trình bức xạ và được gọi là miền bức xạ Khi thay đổitần công tác thì miền bức xạ sẽ dịch chuyển đến miền mới với tỷ lệ các kích thướchình