CN102916247A

CN102916247A - 局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列

Info

Publication number: CN102916247A
Application number: CN2012103862063A
Authority: CN
Inventors: 李剑; 杨丽君; 杜林�; 王有元; 张晓星; 廖瑞金; 唐炬; 陈伟根; 王鹏
Original assignee: CHONGQING FAN'AO TECHNOLOGY Co Ltd; Chongqing University
Current assignee: CHONGQING FAN'AO TECHNOLOGY Co Ltd; Chongqing University
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: CN102916247B

Abstract

本发明公开了一种局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，包含多个天线单元和馈电网络。所述天线单元采用层叠结构组成，包含三层导线贴片、两层介质基底。所述导线贴片包含辐射导线贴片、寄生导线贴片和附加导线贴片。所述导线贴片是根据三阶Hilbert分形曲线改进设计而成的，包含主辐射臂和寄生臂。所述馈电网络根据Wilkinson功分器进行设计，并设置在天线阵列背部。本发明的天线阵列体积小、频带宽、增益高，能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求。

Description

局部放电超高频检测 Hilbert 分形天线阵列

技术领域

本发明涉及分形天线设计领域，特别涉及一种电力变压器局部放电超高频检测分形天线。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备，其正常运行是电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证。变压器故障以分为三类：机械故障、导体故障和绝缘故障。从统计数据来看，在以上的三类故障中，绝缘引起的故障所占比重最大，而在发生绝缘故障前会产生局部放电现象。因此，通过变压器局部放电的在线监测，可及时发现变压器内部的潜伏性故障，避免发生突发性的绝缘故障，有利于电力系统的安全运行。

变压器绝缘体内发生局部放电时，其激发的信号，除了以脉冲电流的形式通过变压器绕组和电力线向外传播外，还可以以电磁波的形式向外传播，且其激发的电磁波频率可以达到上GHz。鉴于此种特点，科技人员研究出超高频法来进行相关监测。局部放电超高频监测法通过传感变压器内部局部放电所激发的超高频电磁信号，实现局部放电的监测和定位。由于超高频监测法具有灵敏度高和抗干扰能力强等优点，近年来得到研究机构、制造厂商及电力系统运行部门广泛关注和应用。

超高频天线是变压器局部放电超高频在线监测方法的关键技术。天线良好的性能是成功实现高灵敏度变压器局部放电监测的根本保证。目前用于变压器局部放电在线监测超高频检测的天线主要有阿基米德双臂平面螺旋天线、圆锥天线、偶极子天线和分形天线等，其中应有最多的是阿基米德双臂平面螺旋天线。实际应用经验表明现有的超高频天线分别存在一下问题：1）检测频带较窄，损失了较多的局部放电信息；2）体积大，不利于安装；3）增益小，不利于接收微弱的局部放电信号。

因此急需一种能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求的天线。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求的天线；该天线克服了现有天线检测频带较窄、体积大、增益小的缺点，具有频带宽、增益高，能够满足变压器局部放电在线监测超高频检测的要求。

本发明的目的是提出一种超高频Hilbert分形天线阵列。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，包括馈电网络和至少一个天线单元排列连接构成的天线阵列，所述馈电网络设置在天线阵列的背部；

所述天线单元，用于耦合空间中的电磁波信号，并转换成高频电流信号；

所述馈电网络，用于连接天线端口与阵列阵元,构成射频信号传输的通路。

进一步，所述天线单元包括上层介质基底、下层介质基底、辐射导线贴片、附加导线贴片、寄生导线贴片、接地层和馈电探针；

所述上层介质基底和下层介质基底之间设置有空气层，所述辐射导线贴片敷设在上层基底的上表面，所述附加导线贴片敷设在上层基底的下表面；所述寄生导线贴片敷设在下层基底的上表面，所述接地层敷设在下层基底的下表面；所述辐射导线贴片通过馈电探针馈电，所述寄生导线贴片通过耦合馈电。

进一步，所述导线贴片包括主辐射臂和与主辐射臂同形设置的寄生臂，所述主辐射臂根据三阶Hilbert分形曲线进行设置；所述主辐射臂设置有馈电点，所述馈电点位置设置在最接近于所述主辐射臂的几何中心点处的导线段上。

进一步，所述馈电网络是根据Wilkinson功分器进行设计。

进一步，所述导线贴片在上层介质基底和下层介质基底上的覆盖面为矩形面。

进一步，所述矩形面的边长取值范围为35~250mm；所述主辐射臂的宽度取值范围为1~10mm；所述寄生臂的宽度取值范围为0.5~8mm；所述寄生臂与主辐射臂的间距取值范围为0.5~5mm。

进一步，所述上层介质基底和下层介质基底为环氧树脂电介质板，其介电常数为4.4；所述上层介质基底和下层介质基底的边长长于所述导线贴片在上层介质基底和下层介质基底上的覆盖面的边长，其差值范围为2~15mm；所述上层介质基底和下层介质基底的厚度取值范围为2~10mm；所述上层介质基底和下层介质基底中间空气层厚度的取值范围为1~10mm。

进一步，所述天线阵列中的天线单元数取值范围为2~16。

进一步，所述导线贴片在上层介质基底和下层介质基底上的覆盖面的边长为77mm；所述主辐射臂的宽度为3mm；所述寄生臂的宽度为1mm；所述寄生臂与主辐射臂的间距为1mm。所述上层基底的厚度2.5mm，所述下层基底的厚度3.5mm，所述空气层厚度为3mm，所述天线阵列天线单元数为4，介质基底边长为174mm。

进一步，所述馈电网络介质基底厚度为2mm，边长为174mm；所述馈电网络由三个二等分Wilkinson功分器级联组成；所述二等分Wilkinson功分器采用3节阻抗变换器相级联；所述阻抗变换器每节微带线宽度分别为1mm、1.8mm、3mm；所述阻抗变换器每节隔离电阻分别为100Ω、200Ω、400Ω；所述阻抗变换器每节微带线长度为105mm；所述馈电网络各端口微带线宽度3.8mm。

本发明的优点在于：与传统的Hilbert分形曲线相比，本发明改进的Hilbert分形曲线具有更多谐振频率，易于展宽天线带宽；另外，本发明提出的层叠结构可有效增加Hilbert分形天线的增益；采用天线阵列可进一步改善天线的增益。

本发明提供的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列具有以下有益效果：

1.在300MHz到1GHz范围内具有多个检测频带，阻抗带宽（VSWR<5）可达90.7%，能够记录局部放电的大部分信息，不会造成遗漏情形；

2.天线谐振频率处增益可达-1dBi，信号半功率波束角度宽，全方向内方向性差异小。能有效接收来自正前方的局部放电信号，检测灵敏度高高。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为改进的3阶Hilbert分形曲线，即所述的导线贴片；

图2为天线单元的结构示意图；

图3为天线导线贴片覆盖面边长为77mm，主辐射臂宽度为3mm，寄生臂宽度为1mm，寄生臂与主辐射臂间距l为1mm，天线介质基底边长取值90mm，下层介质基底厚度为3.5mm，上层介质基底厚度为2.5mm，空气层厚度为3mm时，天线单元的仿真驻波比图；

图4为4元天线阵列结构示意图；

图5为馈电网络（即Wilkinson一分四功分器）结构尺寸图；

图6为本发明实测驻波比图；

图7为本发明实测方向图；

图8为本发明检测局部放电工频信号、波形信号及功率谱。

图中，馈电点-1、主辐射臂-2、和寄生臂-3、辐射导线贴片-4、附加导线贴片-5、寄生导线贴片-6、上层介质基底-7、下层介质基底-8、接地层-9、馈电探针-10、馈电网络-11、馈电网络基底-12。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1为改进的3阶Hilbert分形曲线，即所述的导线贴片，图2为天线单元的结构示意图，图3为天线导线贴片覆盖面边长为77mm，主辐射臂宽度为3mm，寄生臂宽度为1mm，寄生臂与主辐射臂间距l为1mm，天线介质基底边长取值90mm，下层介质基底厚度为3.5mm，上层介质基底厚度为2.5mm，空气层厚度为3mm时，天线单元的仿真驻波比图，图4为4元天线阵列结构示意图，图5为馈电网络（即Wilkinson一分四功分器）尺寸图，图6为本发明实测驻波比图，图7为本发明实测二维方向图，图8为本发明检测局部放电工频信号、波形信号及功率谱，如图所示：本发明提供的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，包括馈电网络和至少一个天线单元排列连接构成的天线阵列，所述馈电网络11设置在天线阵列的背部；

所述天线单元包括上层介质基底7、下层介质基底8、辐射导线贴片4、附加导线贴片5、寄生导线贴片6、接地层9和馈电探针10；所述上层介质基底7和下层介质基底8之间设置有空气层，所述辐射导线贴片4敷设在上层基底7的上表面，所述附加导线贴片5敷设在上层基底7的下表面；所述寄生导线贴片6敷设在下层基底8的上表面，所述接地层9敷设在下层基底8的下表面；所述辐射导线贴片4通过馈电探针10馈电，所述寄生导线贴片6通过耦合馈电。

所述导线贴片包括主辐射臂2和与主辐射臂2同形设置的寄生臂3，所述主辐射臂2根据三阶Hilbert分形曲线进行设置；所述主辐射臂2设置有馈电点1，所述馈电点1位置设置在最接近于所述主辐射臂2的几何中心点处的导线段上。

所述馈电网络是根据Wilkinson功分器进行设计。

所述导线贴片在上层介质基底7和下层介质基底8上的覆盖面为矩形面。

所述矩形面的边长取值范围为35~250mm；所述主辐射臂2的宽度取值范围为1~10mm；所述寄生臂3的宽度取值范围为0.5~8mm；所述寄生臂3与主辐射臂2的间距取值范围为0.5~5mm。

所述上层介质基底7和下层介质基底8为环氧树脂电介质板，其介电常数为4.4；所述上层介质基底7和下层介质基底8的边长长于所述导线贴片在上层介质基底7和下层介质基底8上的覆盖面的边长，其差值范围为2~15mm；所述上层介质基底7和下层介质基底8的厚度取值范围为2~10mm；所述上层介质基底7和下层介质基底8中间空气层厚度的取值范围为1~10mm。

所述天线阵列中的天线单元数取值范围为2~16。

所述导线贴片在上层介质基底7和下层介质基底8上的覆盖面的边长为77mm；所述主辐射臂2的宽度为3mm；所述寄生臂3的宽度为1mm；所述寄生臂3与主辐射臂2的间距为1mm。所述上层基底7的厚度2.5mm，所述下层基底8的厚度3.5mm，所述空气层厚度为3mm，所述天线阵列天线单元数为4，介质基底边长为174mm。

所述馈电网络介质基底厚度为2mm，边长为174mm；所述馈电网络由三个二等分Wilkinson功分器级联组成；所述二等分Wilkinson功分器采用3节阻抗变换器相级联；所述阻抗变换器每节微带线宽度分别为1mm、1.8mm、3mm；所述阻抗变换器每节隔离电阻分别为100Ω、200Ω、400Ω；所述阻抗变换器每节微带线长度为105mm；所述馈电网络各端口微带线宽度3.8mm。

实施例2

如图1~2所示，本发明所包含的天线阵列单元包含辐射导线贴片4、附加导线贴片5、寄生导线贴片6、上层介质基底7、下层介质基底8、接地层9和馈电探针10。上下层介质基底采用空气夹层进行隔离。导线贴片根据Hilbert 三阶分形曲线改进而成，包含主辐射臂2和两条寄生臂3。馈电点1设置在最接近于主辐射臂覆盖面的几何中心点处的导线段上。

本实施例中，导线贴片覆盖面的边长为77mm；导线贴片为铜箔，并镀有锡层；主辐射臂宽度为3mm，寄生臂宽度为1mm，寄生臂与主辐射臂间距为1mm；介质基底采用环氧树脂电介质板（介电常数为4.4，基底边长为90mm，上层介质厚度为2.5mm，下层介质厚度为3.5mm，空气层厚度为3mm。图3为天线单元仿真驻波曲线，表1为仿真增益值表。

表1 天线单元仿真增益值表

频率（GHz）	天线增益值（dBi）
		0.36	-14.8
0.52	-15.2
		0.68	-12.2
0.85	-8.1
		0.95	-7.8

本发明采用天线单元构成阵列并采用馈电网络进行馈电。为缩小天线体积，馈电网络设置在天线的背部。本实施例中，采用4个天线单元按照二维均匀阵列进行排列，并采用Wilkinson一分四功分器进行等副同相馈电。天线阵列结构如图4所示，天线阵列上层介质基底7和下层介质基底8的边长为174mm，各单元探针间距为84mm。

本实施例中，Wilkinson一分四功分器由三个二等分Wilkinson功分器级联组成，其结构尺寸如图5所示，介质基底12边长为174mm，厚度为2mm。

图6为本发明的天线阵列在300MHz~1000MHz范围内的实测驻波曲线，从图中可以看出，天线阵列有5个谐振频率（VSWR<2），天线阻抗带宽(VSWR<5)可达90.7%。图7为本发明的天线在不同频率处实测增益方向图。从图中可以看出，随着频率的增高，远场区的辐射性能增强，天线的增益由-12.8dBi提高至-1dBi。同时天线的半功率波束角度变宽，在高频段基本呈半球状，能较好接收来自正面的局部放电信号。

图8给出了本发明的天线阵列应用于局部放电检测的测试结果。测试结果表明本发明的天线阵列所检测局部放电工频信号与沿面放电相位一致。本发明的分形天线检测频带较宽，检测频带内驻波比小于5，具有高灵敏度的特性，非常适合局部放电超高频的检测，能够记录大部分的局部放电信息，即使信号微弱，也能完整记录。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1. 局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：包括馈电网络和至少一个天线单元排列连接构成的天线阵列，所述馈电网络设置在天线阵列的背部；

所述天线单元，用于耦合空间电磁波信号，并转换成高频电流信号；

2. 根据权利要求1所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述天线单元包括上层介质基底（7）、下层介质基底（8）、辐射导线贴片（4）、附加导线贴片（5）、寄生导线贴片（6）、接地层（9）和馈电探针（10）；

所述上层介质基底（7）和下层介质基底（8）之间设置有空气层，所述辐射导线贴片（4）敷设在上层基底（7）的上表面，所述附加导线贴片（5）敷设在上层基底（7）的下表面；所述寄生导线贴片（6）敷设在下层基底（8）的上表面，所述接地层（9）敷设在下层基底（8）的下表面；所述辐射导线贴片（4）通过馈电探针（10）馈电，所述寄生导线贴片（6）通过耦合馈电。

3. 根据权利要求2所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述导线贴片包括主辐射臂（2）和与主辐射臂（2）同形设置的寄生臂（3），所述主辐射臂（2）根据三阶Hilbert分形曲线进行设置；所述主辐射臂（2）设置有馈电点（1），所述馈电点（1）位置设置在最接近于所述主辐射臂（2）的几何中心点处的导线段上。

4. 根据权利要求1所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述馈电网络是根据Wilkinson功分器进行设计。

5. 根据权利要求1-4任一项所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述导线贴片在上层介质基底（7）和下层介质基底（8）上的覆盖面为矩形面。

6. 根据权利要求5所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述矩形面的边长取值范围为35~250mm；所述主辐射臂（2）的宽度取值范围为1~10mm；所述寄生臂（3）的宽度取值范围为0.5~8mm；所述寄生臂（3）与主辐射臂（2）的间距取值范围为0.5~5mm。

7. 根据权利要求5所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述上层介质基底（7）和下层介质基底（8）为环氧树脂电介质板，其介电常数为4.4；所述上层介质基底（7）和下层介质基底（8）的边长长于所述导线贴片在上层介质基底（7）和下层介质基底（8）上的覆盖面的边长，其差值范围为2~15mm；所述上层介质基底（7）和下层介质基底（8）的厚度取值范围为2~10mm；所述上层介质基底（7）和下层介质基底（8）中间空气层厚度的取值范围为1~10mm。

8. 根据权利要求1所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述天线阵列中的天线单元数取值范围为2~16。

9. 根据权利要求8所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述导线贴片在上层介质基底（7）和下层介质基底（8）上的覆盖面的边长为77mm；所述主辐射臂（2）的宽度为3mm；所述寄生臂（3）的宽度为1mm；所述寄生臂（3）与主辐射臂（2）的间距为1mm；所述上层基底（7）的厚度2.5mm，所述下层基底（8）的厚度3.5mm，所述空气层厚度为3mm，所述天线阵列天线单元数为4，介质基底边长为174mm。

10. 根据权利要求9所述的局部放电超高频检测Hilbert分形天线阵列，其特征在于：所述馈电网络介质基底厚度为2mm，边长为174mm；所述馈电网络由三个二等分Wilkinson功分器级联而成；所述二等分Wilkinson功分器采用3节阻抗变换器相级联；所述阻抗变换器每节微带线宽度分别为1mm、1.8mm、3mm；所述阻抗变换器每节隔离电阻分别为100Ω、200Ω、400Ω；所述阻抗变换器每节微带线长度为105mm；所述馈电网络各端口微带线宽度3.8mm。