CN103197217A - 用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器 - Google Patents

Abstract

用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，属于电缆终端放电监测技术领域。本发明是为了解决现有超宽带非频变天线不能兼具传输损耗小并保证低频端特性的问题。它包括天线基板、等角螺旋天线段、阿基米德天线段、微带线基板、中心导带微带线和接地板微带线，天线基板上由中心向外环方向依次螺旋排布等角螺旋天线段和阿基米德天线段，等角螺旋天线段的两个末端与阿基米德天线段的两个首端一一对应连接；微带线基板首端侧的中心具有突出的矩形连接柱，该微带线基板的正面中心由首端至末端覆盖有中心导带微带线，该微带线基板的反面中心由首端至末端覆盖有接地板微带线。本发明用于电缆局部放电的超高频信号的在线监测。

Description

用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器

技术领域

本发明涉及用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，属于电缆终端放电监测技术领域。

背景技术

局部放电是引发电力电缆绝缘故障的主要原因之一。由于电缆终端绝缘的复杂性和不完善性，局部放电的发生率远高于电缆本体。对电缆终端进行局部放电监测，对于保障电缆线路安全可靠运行具有十分重要的意义。

电缆终端局部放电脉冲时间极短，通常为纳秒级，这种放电脉冲会激发高频的电磁信号，大量的研究表明，局部放电激发的电磁信号频带集中在300MHz-3GHz，要想接收如此宽频的电磁信号需要采用超宽带非频变天线。目前满足该要求的天线形式主要有等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线。

等角螺旋天线的螺旋增长率较快，具有天线臂短、低频信号在天线上的传输路径短、传输损耗小的优点，但同时也因为“截尾”效应而引起的反射电流较大，破坏了天线低频端特性。

阿基米德螺旋天线的螺旋增长率为线性，较等角螺旋天线的指数增长慢，故终端的天线臂有效部分更多，低频端特性优于等角螺旋天线，然而由于其螺旋增长缓慢、螺旋臂细、螺旋臂长的特点，也带来了传输损耗大、效率低等缺点。

发明内容

本发明目的是为了解决现有超宽带非频变天线不能兼具传输损耗小并保证低频端特性的问题，提供了一种用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器。

本发明所述用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，它包括天线基板、等角螺旋天线段、阿基米德天线段、微带线基板、中心导带微带线和接地板微带线，

天线基板上由中心向外环方向依次螺旋排布等角螺旋天线段和阿基米德天线段，等角螺旋天线段的两个末端与阿基米德天线段的两个首端一一对应连接；

微带线基板首端侧的中心具有突出的矩形连接柱，该微带线基板的正面中心由首端至末端覆盖有中心导带微带线，该微带线基板的反面中心由首端至末端覆盖有接地板微带线，

中心导带微带线和接地板微带线的阻抗匹配由首端至末端为140欧姆至50欧姆，中心导带微带线和接地板微带线的首端宽度相同，接地板微带线末端宽度为中心导带微带线末端宽度的5倍，两者的宽度从首端至末端呈指数形式增长；

微带线基板的矩形连接柱穿过天线基板的中心，中心导带微带线的首端与等角螺旋天线段的一个首端连接，接地板微带线的首端与等角螺旋天线段的另一个首端连接，中心导带微带线的末端连接同轴线SMA接头的内导体，接地板微带线的末端连接同轴线SMA接头的外导体；

天线基板和微带线基板均为介电常数为4.4、厚度为2mm的环氧树脂板材；

等角螺旋天线段、阿基米德天线段、中心导带微带线和接地板微带线的材质均为铜。

所述等角螺旋天线段的起始螺旋角度为0度，终止螺旋角度为3π至4π，阿基米德天线段的起始螺旋角度为3π至4π，终止螺旋角度为11π至12π。

本发明的优点：本发明结合等角螺旋天线和阿基米德天线结构的优缺点，形成一种复合螺旋结构的螺旋天线，既克服了等角螺旋天线低频特性不好的缺点，又克服了阿基米德螺旋天线臂长信号衰减大、传输效率低的缺点，且尺寸较等角螺旋天线大大减小，具有极大的带宽和良好的驻波特性，根据设计要求和实测，在300MHz-3GHz的带宽上，该超高频传感器的驻波比小于2.0。

附图说明

图1是本发明所述超高频传感器的等角螺旋天线段和阿基米德天线段在天线基板上的分布结构示意图；

图2是微带线基板上正面和反面的微带线分布示意图；

图3是本发明所述超高频传感器的驻波比曲线图；图中的纵坐标驻波比每格表示为1；

图4是现有等角螺旋天线的分布示意图；

图5是现有阿基米德天线的分布示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2、图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，它包括天线基板1、等角螺旋天线段2、阿基米德天线段3、微带线基板4、中心导带微带线5和接地板微带线6，

天线基板1上由中心向外环方向依次螺旋排布等角螺旋天线段2和阿基米德天线段3，等角螺旋天线段2的两个末端与阿基米德天线段3的两个首端一一对应连接；

微带线基板4首端侧的中心具有突出的矩形连接柱，该微带线基板4的正面中心由首端至末端覆盖有中心导带微带线5，该微带线基板4的反面中心由首端至末端覆盖有接地板微带线6，

中心导带微带线5和接地板微带线6的阻抗匹配由首端至末端为140欧姆至50欧姆，中心导带微带线5和接地板微带线6的首端宽度相同，接地板微带线6末端宽度为中心导带微带线5末端宽度的5倍，两者的宽度从首端至末端呈指数形式增长；

微带线基板4的矩形连接柱穿过天线基板1的中心，中心导带微带线5的首端与等角螺旋天线段2的一个首端连接，接地板微带线6的首端与等角螺旋天线段2的另一个首端连接，中心导带微带线5的末端连接同轴线SMA接头的内导体，接地板微带线6的末端连接同轴线SMA接头的外导体；

天线基板1和微带线基板4均为介电常数为4.4、厚度为2mm的环氧树脂板材；

等角螺旋天线段2、阿基米德天线段3、中心导带微带线5和接地板微带线6的材质均为铜。

本实施方式中，等角螺旋天线段2和阿基米德天线段3经印刷电路板技术在天线基板1上覆铜实现。

本实施方式中的阻抗匹配是由指数渐变的中心导带微带线5和接地板微带线6结构实现的，该指数渐变微带线结构也是通过印刷电路板技术在微带线基板4上双面覆铜实现的，中心导带微带线5和接地板微带线6的截面尺寸均做成渐变的形式以实现天线特性阻抗与测试线路特性阻抗的匹配。

具体实施方式二：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述等角螺旋天线段2的起始螺旋角度为0度，终止螺旋角度为3π至4π，阿基米德天线段3的起始螺旋角度为3π至4π，终止螺旋角度为11π至12π。

利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对所述的超高频传感器进行仿真，通过对天线的螺旋起止半径、阻抗匹配板长度及其首末端宽度等参数的大量仿真优化，可以得出在所设计频带即300MHz-3GHz的范围内，使传感器的驻波比达到最小值的各参数值。

图3所示，为本发明所述超高频传感器驻波特性的实测结果，测量采用AV3620网络分析仪，由图示可知，在300MHz-3GHz的频带内，传感器的驻波比小于2.0。

Claims (2)

1.一种用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于，它包括天线基板(1)、等角螺旋天线段(2)、阿基米德天线段(3)、微带线基板(4)、中心导带微带线(5)和接地板微带线(6)，

天线基板(1)上由中心向外环方向依次螺旋排布等角螺旋天线段(2)和阿基米德天线段(3)，等角螺旋天线段(2)的两个末端与阿基米德天线段(3)的两个首端一一对应连接；

微带线基板(4)首端侧的中心具有突出的矩形连接柱，该微带线基板(4)的正面中心由首端至末端覆盖有中心导带微带线(5)，该微带线基板(4)的反面中心由首端至末端覆盖有接地板微带线(6)，

中心导带微带线(5)和接地板微带线(6)的阻抗匹配由首端至末端为140欧姆至50欧姆，中心导带微带线(5)和接地板微带线(6)的首端宽度相同，接地板微带线(6)末端宽度为中心导带微带线(5)末端宽度的5倍，两者的宽度从首端至末端呈指数形式增长；

微带线基板(4)的矩形连接柱穿过天线基板(1)的中心，中心导带微带线(5)的首端与等角螺旋天线段(2)的一个首端连接，接地板微带线(6)的首端与等角螺旋天线段(2)的另一个首端连接，中心导带微带线(5)的末端连接同轴线SMA接头的内导体，接地板微带线(6)的末端连接同轴线SMA接头的外导体；

天线基板(1)和微带线基板(4)均为介电常数为4.4、厚度为2mm的环氧树脂板材；

等角螺旋天线段(2)、阿基米德天线段(3)、中心导带微带线(5)和接地板微带线(6)的材质均为铜。

2.根据权利要求1所述的用于电缆局部放电在线监测的超高频传感器，其特征在于，

所述等角螺旋天线段(2)的起始螺旋角度为0度，终止螺旋角度为3π至4π，阿基米德天线段(3)的起始螺旋角度为3π至4π，终止螺旋角度为11π至12π。

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