【局部放电UHF宽频带微带天线传感器研制分析6000字】

局部放电UHF宽频带微带天线传感器研制分析目录TOC\o"1-3"\h\u18261局部放电UHF宽频带微带天线传感器研制分析 1130601.1传统的平面单级子天线 166111.2外置式复合宽带UHF天线的仿真设计与实测研究 257631.2.1外置式复合宽频带UHF天线结构 2166541.2.2外置式复合宽频带UHF天线的仿真分析 49701.2.3外置式复合宽频带UHF天线的实测研究 7184121.3内置式复合镂空多频点UHF天线的仿真设计与实测研究 972211.1.1内置式复合镂空多频点UHF天线结构 9113251.1.2内置式复合镂空多频点UHF天线的仿真分析 9186031.4.3内置式复合镂空多频点UHF天线的实测研究 12针对目前用于GIS局部放电UHF天线传感器存在的检测频带窄、检测频段单一、影响GIS气密性、结构尺寸过大等问题，结合第2章介绍的微带天线辐射原理、分析方法以及设计过程中需要考虑的相关参数，本文综合1/4单级子天线和蝶形天线的优点设计了安装于GIS浇注孔处的外置式复合宽频带UHF天线与安装于GIS手孔处的内置式复合镂空多频点UHF天线，两者兼具有结构尺寸小，检测频带宽、安装方便等特点，在实验室搭建实验平台对其耦合信号能力进行验证，实验结果满足GIS局部放电UHF信号检测要求，为后续GIS局部放电故障在线监测系统开发提供了信号接收单元。1.1传统的平面单级子天线平面单级子天线由于其本身具有结构简单、易共形、成本低、易复合、辐射特性好等特点而被广泛应用于人们的日常生活之中[39]。一般而言，大多数平面单级子天线可以看做是六种基本结构的变形或者优化[40]，天线的工作原理和基本性能也与这些基本振子天线相似：①三角形单级子、②矩形单级子、③梯形单级子、④圆形/椭圆形单级子、⑤分形单级子、⑥算法单级子。对于平面单级子天线，其低频段的情况是对其尺寸大小起关键性因素，平面单级子天线低频段某个谐振频率处的尺寸值可以用圆柱体近似估算法计算，以矩形单级子天线为例，其圆柱体近似估算法[41]的相关理论如下，图3-1为基于圆柱体近似估算法的矩形单级子天线模型示意图。(a)圆柱体近似估算模型(b)矩形单级子天线结构示意图图3-1基于圆柱体近似估算法的矩形单级天线等效模型示意图圆柱体高度如式（3-1）所示。(3-1)矩形单级子天线低频点谐振频率如式（3-2）所示。(3-2)(3-3)(3-4)式中，fL为矩形单级子天线低频点谐振频率，单位为GHz，L为等效圆柱体的高度，单位为mm，r为等效圆柱体的底面圆半径，单位为mm。考虑馈入间隙g对矩形单级子天线低频点频率fL的影响，其低频电谐振频率公式修正如式（3-5）所示。(3-5)1.2外置式复合宽带UHF天线的仿真设计与实测研究1.2.1外置式复合宽频带UHF天线结构外置式复合宽频带UHF天线由一定厚度的介质基板以及其两侧的天线辐射贴片和接底贴片构成，天线辐射贴片由为1/4波长单级子天线、蝶形天线、高频单级子天线以及为微带馈线结构复合而成，接底层采用接地贴片采用未完全覆盖形式，以降低其品质因数[42]，拓宽检测频带，其整体结构尺寸较小，放置于盆式绝缘子浇注孔外侧，采用同轴馈电方式连接外置式复合宽带UHF天线的天线辐射贴片和接地贴片，将从盆式绝缘子浇注孔处泄露出的UHF信号进行接收、转换并输出为电压电流信号，为后续对GIS内部局部放电严重程度判断提供重要依据。1/4波长单级子天线在低频时结构尺寸较大，为了使复合镂空天线具有较小的结构尺寸，在1/4波长单级子天线的低频段进行螺旋化曲折处理，实现天线结构小型化，在1/4波长单级子天线的终端进行蝶形辐射天线加载，改善1/4波长单级子天线工作频带窄的缺点，从而改善其低频段的辐射特性[43]，拓宽外置式复合宽频带UHF天线的检测带宽，在外置式复合宽频带UHF天线辐射层的微带馈电结构部分复合高频单级子天线，使外置式复合宽频带UHF天线具有接收高频的电磁波信号的能力，改善其高频段的接收特性。1）1/4波长单级子天线设计传统的1/4波长单级子天线工作于空气中，是一种引入接地面，天线长度减少一半的平面半波偶极子天线，由于其具有结构简单、制作容易、易与微波电路集成等优点，在多频点GIS局部放电UHF天线设计中得到了广泛的应用[44]。工作于盆式绝缘子内部的1/4波长单级子天线在设计时还应当考虑电磁波信号在盆式绝缘子内部的波长改变的因素，其工作频率可根据下式得到：（3-6）c为光速，εr为盆式绝缘子内部绝缘介质的相对介电常数，f0为1/4平面单级子天线的工作频率。2）蝶形天线设计蝶形天线[45]的工作频带由其半顶角θ0和臂长l0决定，随着蝶形天线半顶角θ0增大，其特性阻抗减小，根据经验公式，蝶形辐射单元特性阻抗Z0与半顶角θ0、臂长l0之间的关系为：（3-7）（3-8）蝶形天线的谐振频率fr与蝶形天线结构尺寸之间的关系为：（3-9）（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）式中：λ为所述蝶形天线输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长，fr为所述蝶形辐射单元的谐振频率，△L为所述蝶形辐射单元的介质板的厚度，Xr为相对介电常数，c为真空中光速，H为所述蝶形辐射单元的纵向总长度，w为所述蝶形辐射单元底边长度，w1为所述蝶形辐射单元左右对称部分交点的连线长度。1.2.2外置式复合宽频带UHF天线的仿真分析本文所设计外置式复合宽频带UHF天线的三个预设工作频段的中心频率分别为300MHz、1GHz、2GHz和3GHz，结合上述1/4波长单级子天线与蝶形天线的设计方法，拟定的外置式复合宽频带UHF天线结构尺寸如下：螺旋低频单极子天线，总线长l1=220mm，矩形中频单极子天线，总线长l2=130mm，底部高频单极子天线，l3=12mm、l4=13mm、l5=16mm，蝶形天线的张角半顶角θ0=60°，臂长l0=10mm；单级子天线宽度，w1=1mm；单级子天线微带馈线，总线长l6=11.5mm，宽度w2=5mm；F4B介质基板厚度4mm，接地辐射贴片宽度，a=35mm，接地辐射贴片长度，b=43mm。本文设计的外置式复合宽频带UHF天线仿真模型如图3-2所示。图3-2外置式复合宽频带UHF天线仿真结构示意图利用天线仿真软件HFSS对所设计的外置式复合宽频带UHF天线参数进行优化本文根据仿真优化，最终确定的外置式复合宽频带UHF天线的结构尺寸如表3-1所示。表3-1外置式复合宽频带UHF天线优化后结构参数参数符号参数值l1248.2mml2114.6mml010.4mmθ060.2°w11mml322.4mml411.6mml514.3mml619.2mmw25mmh14mma34.6mmb42.5mm根据优化后的结构参数，制作出的内置式复合镂空多频点UHF天线的实物如图3-4所示，内置式复合镂空多频点UHF天线整体结构尺寸为90mm*35mm*4mm，天线辐射层与接地层开有直径为0.6mm的通孔，采用同轴馈电方式连接天线辐射层与接地层，用以将耦合到的UHF信号接收、转换并输出。图3-4外置式复合宽频带UHF天线实物图图3-5是采用天线仿真软件HFSS得到的外置式复合宽频带UHF天线驻波比曲线图（扫频范围设置为300MHz~3000MHz）。从图中可以看出，该内置式复合镂空多频点UHF天线在0.55GHz-1.02GHz、1.1GHz-1.35GHz及1.38GHz-3GHz频带范围内，驻波比2,0.3GHz-0.55GHz、1.02-1.1GHz及1.35-1.38GHz频带范围内，驻波比小于2.4。可以看出，外置式复合宽频带UHF天线具有良好的信号接收能力，500MHz频段以下的驻波比特性较差。图3-5外置式复合宽频带UHF天线的仿真驻波比图3-6为外置式复合宽频带UHF天线在1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz4个频点处的E面和H面的辐射方向图，采用极坐标的形式来进行绘制。从图中可知，在此频带范围内，外置式复合宽频带UHF天线E面方向始终中近似成“8”字形，H面方向图在1.5GHz以下近似为圆形，随着频率升高，其H面方向图逐渐边尖锐，在水平方向上具有方向性。f=1GHzf=1.5GHzf=2GHzf=2.5GHz图3-6外置式复合宽频带UHF天线方向图内置式复合镂空多频点UHF天线的增益仿真结果如表3-2所示，在300MHz时，其增益为-24.2dB，在3GHz时，其增益为6.7dB，随着电磁波频率的升高，其增益总体呈逐渐增大的趋势，且一般而言，天线的增益越高，其灵敏度越高，越有利于局部放电UHF微弱信号的检测。表3-2内置式复合镂空多频点UHF天线仿真增益测试记录表频率/GHz0.30.511.522.53增益/dB-24.2-14.52.31.14.25.36.71.2.3外置式复合宽频带UHF天线的实测研究在实验室内，采用AV36580矢量网络分析仪对内置式复合镂空多频点UHF天线的驻波比进行实际测量，设置AV36580矢量网络分析仪的扫频范围设置为300MHz~3GHz，实测驻波比曲线如图3-7所示，实测结果显示，在300MHz~3GHz频带范围内VSWR<3，在0.3GHz~0.35GHz、0.5GHz~0.6GHz、0.7GHz~0.8GHz、0.9GHz~1.15GHz、1.35GHz~1.5GHz、1.6GHz~1.65GHz、1.8GHz~2.1GHz、2.2GHz~2.35GHz、2.4GHz~2.5GHz、2.6GHz~2.7GHz和2.75GHz~3GHz的频带范围内VSWR<2，具有良好的信号接收能力。对比图3-5和图3-7，可以看出外置式复合宽频带UHF天线实测结果略差于仿真结果，但实测结果与仿真结果大部分频带内的驻波比情况一致，本章所设计的外置式复合宽频带UHF天线具有在整个频带范围内具有良好的驻波比特性。图3-7外置式复合宽频带UHF天线实测驻波比为了验证本章所设计外置式复合宽频带UHF天线实际接收信号的能力，在实验室内搭建了如图3-9所示的252kVGIS模型的局部放电测试平台，本实验所用的一些其他实验设备均已在图3-9内表明。实验开始前，先将本章所设计的外置式复合宽频带UHF天线封装好之后放置于252kVGIS模型的盆式绝缘子浇注孔位置处，在252kVGIS金属腔体内盆式绝缘子位置放置如图3-8所示的针板放电模型，然后对252kVGIS模型的金属腔体进行清理，切勿遗漏任何异物，检查本次实验所采用的升压设备、抽真空设备、SF6气瓶、GIS局部放电检测系统以及高频宽带示波器等设备是否可以正常工作。核查完毕后，安装图3-9连接实验设备并将本章所设计的外置式复合宽频带UHF天线与针板放电模型在对应位置安装好，用抽真空装置将252kVGIS模型抽至-0.1MPa时停止并接入SF6气瓶，直至252kVGIS模型内压力至0.25Mpa，启动升压设备，观察GIS局部放电检测系统以及高频宽带示波器的显示情况。图3-8GIS高压导体表面针板放电模型图3-9外置式复合宽频带UHF天线实测实验接线示意图当对加压至30.2kV时，从高频宽带示波器中看到的波形情况如图3-10所示，在未接入信号调理单元时，本章所设计的外置式外置式复合宽频带UHF天线所测得信号幅值为52.3mV，持续100ns左右。图3-10外置式复合宽频天线测试结果1.3内置式复合镂空多频点UHF天线的仿真设计与实测研究1.1.1内置式复合镂空多频点UHF天线结构本文所设计的内置式复合镂空天线与本文所设计的外置式复合宽频带UHF天线的结构类似，其天线辐射贴片是由1/4波长单级子天线、蝶形天线、高频单级子天线以及为微带馈线结构复合构成的，接底层同样采用接地贴片采用未完全覆盖形式，以降低其品质因数，拓宽检测频带，但两者最大的不同在于本文所设计内置式复合镂空天线没有介质基板，其天线辐射贴片和接地贴片都是由具0.3mm厚的纯紫铜片切割而成，两者通过半刚性射频同轴电缆连接，安装于GIS腔体手孔处，用于将GIS内部由于局部放电产生的UHF信号耦合、转换并输出。与普通内置式UHF天线传感器相比，本文所设计的内置式复合镂空多频点UHF天线没有介质基板，电磁波信号的传播、接收和转化过程始终在SF6绝缘气体内完成，有效抑制了部分电磁波信号在介质基板和空气层之间来回反射无法透出介质基板之外而被耗散的现象，有效提高了电磁波信号的耦合能力[46]。1.1.2内置式复合镂空多频点UHF天线的仿真分析本文所设计内置式复合镂空多频点UHF天线的预设天线的三个工作频段的中心频率分别为700MHz、1.25GHz、和2.5GHz，结合上述平面微带单极子天线与蝶形天线的设计方法，拟定的内置式复合镂空多频点UHF天线结构尺寸如下：螺旋低频单极子天线，总线长l1=62.5mm，底部高频单极子天线，总线长l2=15mm，蝶形辐射单元的张角半顶角θ0=60°，臂长l0=8.43mm；单级子天线宽度，w1=1mm；单级子天线微带馈线，总线长l3=18.5mm，宽度w2=5mm；天线辐射贴片与接地贴片的间距，h1=3mm，天线辐射贴片与接地贴片厚度，h2=0.3mm；接地辐射贴片宽度，a=21.2mm，接地辐射贴片长度，b=26.7mm。本文设计的内置式复合镂空多频点UHF天线仿真模型如图3-11所示。(a)天线辐射贴片层(b)接地贴片层图3-11内置式复合镂空多频点UHF天线辐射贴片与接地贴片仿真结构示意图利用天线仿真软件HFSS对所设计的内置式复合镂空多频点UHF天线参数进行优化本文根据仿真优化，最终确定的内置式复合镂空多频点UHF天线的结构尺寸如表3-2所示。表3-2内置式复合镂空多频点UHF天线的结构参数参数符号参数值l1167.95mml217.43mml08.01mmθ052.41°w11mml312.12mmw24.051mmh13mma25.28mmb27mm从表3-2可知，平面微带单极子天线三个频段的导线长度与初始设定值相比均有所增加，特别是700MHz处的低频段导线长度增加了2.7倍。根据优化后的结构参数，制作出的内置式复合镂空多频点UHF天线的实物如图3-4所示，内置式复合镂空多频点UHF天线整体结构尺寸为54mm*30mm*3mm，天线辐射层与接地层开有直径为0.2mm的通孔，采用半刚性射频同轴电缆连接天线辐射层与接地层，用以将耦合到的UHF信号接收、转换并输出。图3-12内置式复合镂空多频点UHF天线天线实物图图3-13是采用天线仿真软件HFSS得到的内置式复合镂空多频点UHF天线驻波比曲线图（扫频范围设置为300MHz~3GHz）。从图中可以看出，该内置式复合镂空多频点UHF天线在700MHz~3GHz频带范围内VSWR<5，在1.25GHz~1.3GHz、1.45GHz~1.57GHz、2GHz~2.1GHz、2.25GHz~2.35GHz的频带范围内VSWR<2，具有良好的信号接收能力，700MHz频段以下的驻波比特性较差。图3-13内置式复合镂空多频点UHF天线的仿真驻波比图3-14为内置式复合镂空多频点UHF天线在1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz4个频点处的E面和H面的辐射方向图，采用极坐标的形式来进行绘制。从图中可知，在此频带范围内，内置式复合镂空多频点UHF天线E面方向始终中近似成“8”字形，H面方向图始终近似为圆形，表明本章所设计的内置式复合镂空多频点UHF天线天线在水平方向是全向接受的，可接收来自空间内任意方向的电磁波信号。随着工作频率的升高，内置式多频点复合镂空天线的方向图逐渐发生畸变，其信号接收性能逐渐变差。f=1GHzf=1.5GHzf=2GHzf=2.5GHz图3-14内置于环氧树脂的多频点宽频复合镂空天线方向图内置式复合镂空多频点UHF天线的增益仿真结果如表3-2所示，在300MHz时，其增益为-24.2dB，在3GHz时，其增益为6.7dB，随着电磁波频率的升高，其增益总体呈逐渐增大的趋势，且一般而言，天线的增益越高，其灵敏度越高，越有利于局部放电UHF微弱信号的检测。表3-2内置式复合镂空多频点UHF天线仿真增益测试记录表频率/GHz0.30.511.522.53增益/dB-25.7-16.21.82.41.34.15.21.4.3内置式复合镂空多频点UHF天线的实测研究在实验室内，采用AV36580矢量网络分析仪对内置式复合镂空多频点UHF天线的驻波比进行实际测量，设置AV36580矢量网络分析仪的扫频范围设置为300MHz~3GHz，实测驻波比曲线如图3-9所示，实测结果显示，在700MHz~3GHz频带范围内VSWR<5，在1.25GHz~1.42GHz、1.48GHz~1.93GHz、2GHz~2.12GHz、和2.66G