【《局放特高频天线设计案例》4900字】

局放特高频天线设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u1772局放特高频天线设计案例 184051.1特高频局放天线设计要点 1155481.2仿真软件介绍 246841.3传感器仿真设计 390231.4传感器测试研究 9局放特高频天线设计的主要性能指标；针对局放特高频天线的设计要点，阐述了对数周期传感器与偶极子传感器的原理和设计方法；简介了研究额课题所使用的仿真软件。1.1特高频局放天线设计要点对局放特高频信号进行检测的关键是接收传感器的性能，由于局放信号频率成分高达数GHz，且信号在传播过程中存在衰减，因此要求检测传感器有足够的带宽范围和很高的灵敏度，同时由于放电源方位是未知的，需要传感器具有全向检测性能，因此，为了实现放电源的检测和定位，采用的特高频传感器设计时需要考虑如下几个方面的要求：1）反射系数反射系数是衡量天线与馈线匹配情况的指标，其定义为ADDINNE.Ref.{290CF5B4-BA56-4079-A89C-F9768AC87EC7}：（2-1）式中：Zin为天线输入阻抗；Zc为馈线特征阻抗。当天线反射系数小于-10dB时，表明天线作为辐射器时，功率损失约为10%，阻抗匹配较好，由天线的互易定理ADDINNE.Ref.{01DCD6B3-DD3C-4463-952A-674FE447A53E}，该天线作为传感器时，同样具有较好的匹配特性。2）方向性系数方向性系数D用来描述天线电磁波辐射能量的集中程度，其定义为：在总辐射功率相同和同一距离的条件下，天线在最大辐射方向上场强的平方与无方向性点源在同一位置的场强的平方之比ADDINNE.Ref.{2EBC8E15-E972-4CD7-895A-78FDC88D67B4}，记为D：（2-2）上式中和为天线和无方向性点源的辐射功率方向性系数的定义是基于天线的辐射特性，由天线的互易定理，当天线用于局放空间检测时，由于放电源位置的不明确性，要求天线的方向性为全向或近似全向。3）灵敏度灵敏度（即有效高度）是特高频传感器一个重要指标，反应传感器将入射电场转化为电压输出的能力ADDINNE.Ref.{4E78D929-728B-4AB6-9A5A-11EB2A73C98D}：（2-3）式（1-3）中，为天线感应电势，为入射电场强度。英国国家电网公司NGC对特高频传感器在500MHz-1500MHz的灵敏度做了明确的规定，超过80%频率范围的最小有效高度为2mm，全频率范围的平均有效高度大于6mmADDINNE.Ref.{E9E762DD-18B3-4370-A489-0EFA7C341F69}。1.2仿真软件介绍为了在结构复杂的天线设计过程中获得天线性能的精确解，仅仅依靠解析方法很难得到满意结构。随着计算机运行速度的提高，计算电磁学的快速发展，通过电磁仿真软件进行天线设计仿真，这为天线的工程设计和研究提供了一条更为合理的路径。仿真软件的出现使得天线设计相对传统方法而言不仅省时省力，而且提高了效率。本研究课题所使用的电磁仿真软件是Ansoft公司的HFSS软件，该软件是世界上第一个商业化的三维结构电磁仿真软件，是基于有限元法(FEM)，可分析仿真各种无源三维结构的高频电磁场，其自适应网格加密技术使FEM方法得以实用化，初始网格的的产生是以集合结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可以方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。采用高阶基函数、对称性和周期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求解的速度。HFSS自动计算多个自适应的解决方案，知道满足指定的收敛要求值。基于麦克斯韦方程的场求解方案能够精确预测所有高频性能，如散射、模式转换、材料和辐射引起的损耗等。在建模时，如果采用对称关系，合理设置激励和辐射边界(特别是一些特殊的面，孔的结构)，根据需要合理设置扫描次数，收敛条件，对细节部分进行手动划分网格，都会加速方针速度，提高方针精度，通过这些科学严谨的的人性化设计，充分考虑到了电磁环境等因素，使得HFSS软件能够直接得到微波元件的各种参数，如特性阻抗、传播参数、S参数以及各种场分布、天线方向图等结果。1.3传感器仿真设计在设计局放特高频对数周期梯形齿天线结构时，应该兼顾电力设备局放UHF检测传感器的实际安装环境与局放UHF信号的宽带特性两方面因素。1)为了不影响电力设备的内部环境以及正常运行，局放UHF信号的检测天线传感器只能通过该金属腔体连接处的窄带盆式非金属绝缘子上进行检测，实际的非金属盆式绝缘子往往宽度仅在5cm左右，导致传感器安装困难，因此针对这种情况，在设计时应该考虑在一定的宽度范围内实现天线的小型化。2)实际高压气体绝缘组合设备产生局部放电时，由于局放时间短，使得局放信号频带分布较宽，同时局放环境内存在低频干扰，这些干扰分布在300MHz以下，应该考虑如何进行抑制。对数周期传感器仿真设计A、传感器仿真模型1）传感器外壳模型根据外置型传感器，便于携带，使用时安装方便的特点，符合人体工程力学的要求，对传感器的形状进行设计，模型如图4-2所示。2）传感器面板贴片设计由于局部放电UHF信号的带宽为300MHz--3GHz，且集中出现在1.1GHz附近，因此，选取传感器的带宽范围为1000MHz-1.0GHz，这样不仅有利于局放信号的特高频检测，同时剔除了局放环境中的低频干扰。利用对数周期天线的非频变原理中天线下限频率fmin=C/λmax,La=0.5*λmax得到长度La=13cm,由于安装处的盆式绝缘子其尺寸的大多在5cm左右，得到宽度Lb=4.5cm；计算得到各个齿形宽度。天线基板选用相对介电常数介质板材料为FR4，其相对介电常数为4.4，厚度3mm。图2-1对数周期传感器面板示意图，（2-4）其中，选择3）馈电极及连接线设计连接器类型：传感器信号引出接头应使用N型连接器。传感器上固定的为母型插座连接器，例如型号N-50KF。固定方式：通过法兰、螺母或焊接的方式进行连接器固定。要求位置端正、贴合紧密，不会因操作引起的震动等正常情况造成连接处松动。接线方式：射频连接器与传感器馈线或电缆可采用焊接、压接、螺纹压紧等方式连接，要求连接可靠、反射要小。传输线：信号传输线采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆线，推荐使用柔性电缆或半柔性电缆。天线各组成部分材料见表一所示：表2-1天线仿真模型各组成部分材料参数序号名称材料备注1外壳铝外表面阳极氧化2介质层FR4介电常数4.43面板金属贴片理想导体厚度0.5OZ4馈线双层屏蔽线长度15cm5N型接头不锈钢母B、仿真数据本实验中仿真研究了天线的重要参数：反射系数及增益曲线，其各自曲线见下列数据图2-4所示：图2-2对数周期传感器反射系数仿真曲线由图2-2，仿真计算传感器在1100-1800MHz有多个谐振频点。图2-3对数周期传感器增益仿真曲线由图2-5，传感器在500-3000MHz内增益大于1.5dB。图2-4对数周期传感器仿真3D方向图由图4-6可知，传感器方向图保证传感器最大辐射方向在+Z方向，满足局放检测现场电磁屏蔽需要及传感器安装于电力设备上时易于检测泄漏局放信号的特点。偶极子传感器仿真设计用于UHF局放检测天线一般要求为超宽带天线，但是较大的工作带宽会带来一个难题：信号的色散。所谓色散，就是超宽带信号波形出现展宽，拖尾变长以致畸变的现象。经典的频率无关天线是通过几何尺寸的变化获得宽带特性。频率无关天线的小尺寸部分辐射高频分量，大尺寸部分辐射低频分量，由于相位中心是频率函数，随着频率的变化而变化，因此，频率无关天线是色散天线。平面偶极子天线是一种典型的非色散天线，适合宽频UHF脉冲信号的检测。A、传感器仿真模型1）仿真模型设计根据绝缘子尺寸，设计模型见图4-7，传感器内部为单面PCB板上布置平面椭圆偶极子。2)传感器面板设计由于局部放电UHF信号的带宽为300MHz--3GHz，且集中出现在1.1GHz附近，因此，选取传感器的带宽范围为1000MHz--1.0GHz，如图4-8所示椭圆偶极子天线最低fmin=C/λmax2a=0.25λmax，得到长度a=3cm，取b=1.25cm，为了展宽天线的工作带宽，选用介电常数较大的FR4材料作为介质。图2-5偶极子传感器面板示意图B、仿真数据本文重点研究了天线的反射系数（S11）和增益曲线两个参数，仿真结果见图2-6图2-6偶极子传感器反射系数仿真曲线由图2-6可以看到，传感器在900MHz，1600MHz及2400MHz有三个谐振频点。图2-7偶极子传感器增益仿真曲线由图2-7可以看到，传感器在1000MHz以上，增益均大于1.5dB。图2-8偶极子传感器仿真3D方向图由图2-8，传感器方向图保证传感器最大辐射方向在+Z方向，满足局放检测现场电磁屏蔽需要及传感器安装于电力设备上时易于检测泄漏局放信号的特点。3）馈电极及连接线设计连接器类型：传感器信号引出接头应使用N型连接器。传感器上固定的为母型插座连接器，例如型号N-50KF。固定方式：通过法兰、螺母或焊接的方式进行连接器固定。要求位置端正、贴合紧密，不会因操作引起的震动等正常情况造成连接处松动。接线方式：射频连接器与传感器馈线或电缆可采用焊接、压接、螺纹压紧等方式连接，要求连接可靠、反射要小。传输线：信号传输线采用特性阻抗为50Ω的同轴电缆线，推荐使用柔性电缆或半柔性电缆。天线各组成部分材料如表2-3所示表2-2天线仿真模型各组成部分材料参数序号名称材料备注1外壳铝外表面阳极氧化2介质层FR4介电常数4.43面板金属贴片理想导体厚度0.5OZ4馈线双层屏蔽线长度15cm5N型接头不锈钢母1.4传感器测试研究测试环境及仪器测试仪器：1）安捷伦E5071C网络分析仪主要技术指标频率范围：100kHz至6.5GHz在测试端口处保持125dB动态范围（典型值）宽动态范围：在测试端口上的动态范围>123dB（典型值）极快的测量速度：39ms（进行完全双端口校准，扫描1601点时）低迹线噪声：0.004dBrms（70kHzIFBW时）图2-9安捷伦E5071C网络分析仪2）宽频全向发射传感器主要技术指标频率范围：300MHz至3.0GHz；方向性：全向；增益：300MHz至3.0GHz的全频段的增益大于2dBi；图2-10300-3000MHz全向天线3）标准N型接头主要技术指标特性阻抗：50Ω；频率范围：DC～11GHz；电压驻波比：<1.3；接触电阻：外导体之间小于1.5mΩ，内导体之间小于5mΩ；插入损耗：<0.15dB。4）标准SMA-SMA屏蔽信号线主要技术指标特性阻抗：50Ω；频率范围：DC～8GHz；电压驻波比：<1.2；插入损耗：<0.15dB。5)待测传感器（a）对数周期传感器面板图2-11对数周期传感器（a）偶极子传感器面板图2-12偶极子传感器传感器反射系数测试测试仪器：网络分析仪，待测传感器，英国DMSAE01676-03，标准接头，信号线测试步骤：1）校准网络分析仪；2）连接待测传感器，保持传感器辐射面朝上，确保距离反射障碍区大于最低频率对应波长，读取并存储反射系数曲线。反射系数测试现场如图4-18所示：图2-13反射系数测试测试传感器反射系数曲线如图2-14，图2-15和图2-16所示。图2-14对数周期传感器反射系数曲线图2-15椭圆偶极子传感器反射系数曲线图2-16英国DMSAE01676-03传感器反射系数从图2-14至图2-16可以看出，对数周期传感器在1000-2100MHz频段内S11小于-6dB，椭圆偶极子传感器在1100-1800频段内S11小于-6dB，英国DMSAE01676-03传感器在1000-1800MHz频段内S11小于-6dB。三个传感器阻抗带宽关系为：对数周期传感器>英国DMSAE01676-03传感器>椭圆偶极子传感器。传感器幅频特性测试测试仪器：网络分析仪，待测传感器，宽频发射传感器，英国DMSAE01676-03传感器，韩国HB-HDPDS154传感器，标准接头，信号线。测量原理：将网络分析仪作为信号源，将宽频发射传感器作为信号发射端，待测天线作为信号接收端，测试S21值，即可得到设置频段上待测传感器接收电压值与发射传感器输入电压值之比：（2-5）使用同样的测试环境分别测试待测传感器，对比传感器的S21，即可比较在相同信号输出情况下，待测传感器与对比传感器幅频特性的差异。测试步骤：1）校准网络分析仪；2）将发射传感器与待测传感器分别与网络分析仪的1端口，2端口相连，将发射传感器与待测传感器如图4-22放置，保持待测传感器辐射面对准发射传感器，读取并存储S21曲线。3）重复步骤2，测试对比传感器的S21曲线。测试现场如下图所示：图2-17传感器幅频特性测试待测传感器与对比传感器幅频特性曲线如图所示。图2-18对数周期传感器幅频特性曲线图2-19椭圆偶极子传感器幅频特性曲线图2-20英国DMSAE01676-03传感器幅频特性图2-21韩国HB-HDPDS154传感器幅频特性由图可以看出，在接收信号相同的情况下，四种传感器接收信号见表4-4所示。表2-3四种传感器幅频特性对比表对数周期传感器椭圆偶极子传感器英国DMSAE01676-03传感器韩国HB–HDPDS154传感器-40dB以下0-400MHz0-500MHz0-500MHz2100-2400MHz0-700MHz2300-3000MHz-40dB至-30dB400-1000MHz，1700-3000MHz500-1100MHz1200-1300MHz1800-3000MHz500-800MHz1850-2100MHz2400-3000MHz700-900MHz1100-1300MHz1600-2300MHz-30dB至-20dB1000