CN104505600A - 一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，包括：一块介质基片、金属辐射贴片和金属接地板;介质基片包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基片的第一表面，金属接地板设置于介质基片的第二表面上；金属辐射贴片包括多个子阵元，多个子阵元之间用微带传输线串联连接起来，并在末端子阵元的中心连接阻抗转换器与微带传输线进行馈电；子阵元的形状为多边形；金属接地板上开设有多个开槽缝隙，开槽缝隙的位置为子阵元多边形顶点的映射位置。本发明提供的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，结构紧凑、高增益、损耗小。

Description

一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵
技术领域
本发明涉及一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，属于电力设备状态检测技术领域。
背景技术
高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备，其内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良都使安全运行受到威胁。根据1989-1992年间全国电力系统6-10kV开关柜事故统计，绝缘和载流引起的故障占总数的40.2％，其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79.0％。
开关柜设备局部放电量的大小，是评价该类设备健康状态是否良好的关键指标，也是前期发现开关柜设备绝缘隐患，保障开关柜设备安全运行的关键。超高频局部放电检测系统通过接收柜体内局部放电产生的超高频电磁波，实现局部放电信号的检测和模式识别。它可在设备不停电的情况下进行安装，并对设备状况进行实时动态监测，具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。超高频传感器通常选用微带天线，可以用松缩带固定，这样既能避免现场干扰，同时还保证检测系统的灵敏度。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，解决现有的微带天线增益低、带宽窄、效率低等问题，本发明提供一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，结构紧凑，由高增益的微带辐射元组成。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于，包括：一块介质基片、金属辐射贴片和金属接地板；所述介质基片包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基片的第一表面，金属接地板设置于介质基片的第二表面上；
所述金属辐射贴片包括多个子阵元，多个子阵元之间用微带传输线串联连接起来，并在末端子阵元的中心连接阻抗转换器与微带传输线进行馈电；子阵元的形状为多边形；所述金属接地板上开设有多个开槽缝隙，开槽缝隙的位置为子阵元多边形顶点的映射位置。
所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述介质基片的厚度h<<λ，λ为介质基片的工作波长。
所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：多个子阵元的排列方式是一字直线排列于所述介质基片的第一表面相对中心位置上。
所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述开槽缝隙的形状为正方形，每一正方形开槽缝隙与金属辐射贴片子阵元的多边形顶点的映射位置相对应。
所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述阻抗转换器，长度为四分之一工作波长，使得微带天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧阻抗达成匹配。
所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述金属辐射贴片的面积小于金属接地板的面积。
作为优选方案，所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述子阵元的形状为矩形。
有益效果：本发明提供的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，结构紧凑、高增益、损耗小，局部放电信号检测用微带天线，将传统微带天线的结构重新设计，将一块金属辐射贴片分为若干个子阵元，并且辐射阵元的形状也由普通的矩形做了改进，金属接地板也相应开缝，同时，考虑到阻抗匹配问题，辐射贴片阵元馈电时加装阻抗转换器，更加优化了天线的性能。
附图说明
图1a、1b、1c分别是传统矩形微带天线结构图、侧视图和俯视图；
图2a、2b分别是典型传统矩形微带天线实施例的回波损耗图和方向图；
图3是本发明所述微带天线子阵元串联馈电示意图；
图4是本发明中阻抗转换器示意图；
图5是本发明所述微带天线一个最佳实例的平面图；
图6是本发明所述微带天线一个最佳实例的底视图；
图7a、7b、7c分别是本发明的微带天线的一个实施例的回波损耗图、方向图和阻抗匹配图；
图中：介质基片1、子阵元2、金属接地板3、微带传输线4、开槽缝隙5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。为了与本发明进行比较，首先对传统的微带天线进行描述。
参见图1a至图1c，对微带天线的辐射机理进行说明。对于图1a所示的矩形贴片微带天线，从理论上采用传输线模型来分析其性能。假设辐射贴片的长度近似为半波长，宽度为w，介质基片的厚度为h，工作波长为λ。可以将辐射贴片、介质基片和接地板视为一段长度为λ/2的低阻抗微带传输线，并在传输线的两端断开形成开路。由于介质基片的厚度h<<λ，故电场沿着厚度h的方向基本没有变化。在最简单的情况下，假设电场沿着宽度w方向也没有变化。那么，在只考虑主模激励(TM10模)的情况下，传输线的场结构如图1b所示，辐射基本上可以认为是由辐射贴片开路边的边缘引起的。在两开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直分量和水平分量。由于辐射贴片长度约为半个波长，因此两垂直分量电场方向相反，水平分量电场方向相同。所以，两开路端的水平分量电场可以等效为无限大平面上同相激励的两个缝隙，缝隙宽度为ΔL(近似等于基片厚度h)，长度为w，两缝隙相距为半波长，缝隙的电场沿着w方向均匀分布，电场垂直于w方向，如图1c所示。
图2a为传统矩形微带天线的回波损耗图。回波损耗是表示信号反射性能的参数，回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源，它是指在光纤连接处，后向反射光(连续不断向输入端传输的散射光)相对输入光的比率的分贝数，回波损耗愈大愈好，以减少反射光对光源和系统的影响。通常要求反射功率尽可能小，这样就有更多的功率传送到负载。典型情况下设计者的目标是至少10dB的回波损耗。图2b为传统矩形微带天线的方向图。每一同心圆的宽度代表6dB。Y轴在与通过辐射导体片的中心并与其垂直的方向上。该天线的特征在于，在金属辐射贴片的辐射面(片表面)的各个方向上直达波是以大致相等的强度辐射的，例如，从X轴到Y轴的所有角度θ的方向。同时在Y轴方向上也具有某种程度的天线增益。在应用该天线进行发射和接收局部放电信号的过程中，方向性是大致均匀的，因此传统微带天线很容易受到来自天线周围的噪声源产生的噪声的影响。
如图3至图6所示，为本发明提供的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，包括：一块介质基片1、金属辐射贴片和金属接地板3；所述介质基片1包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基片的第一表面，金属接地板3设置于介质基片的第二表面上；
所述金属辐射贴片包括多个子阵元2，多个子阵元之间用微带传输线4串联连接起来，并在末端子阵元的中心连接阻抗转换器与微带传输线进行馈电；子阵元的形状为多边形；所述金属接地板上开设有多个开槽缝隙5，开槽缝隙5的位置为子阵元多边形顶点的映射位置。串联馈电是将各个子阵元用微带传输线串联起来，对馈电的传输线来说，每一个天线子阵元都等效为一个多端网络。从等效网络的观点来说，这种馈电是一种级联馈电形式。根据传输线终端所接负载不同，又可以分为行波串联馈电和谐振串联馈电。当终端负载等于传输线的特性导纳时，整个馈线上电流分布接近于行波状态，称为行波馈电，其阻抗匹配频带交款，但波束指向随频率改变，效率较低。当终端负载为0或无穷大时，馈线上的电流按驻波分布，称为谐振馈电，其可以从阵的一端馈电，也可以从阵的中心馈电，在实际中常在阵的中心馈电，采用中心馈电时，波束指向将不随频率改变。串联馈电网络结构简单、紧凑，馈线总长度较短，所以馈线损耗较小。
图4所示为一个1/4波长阻抗转换器。一般而言，微带天线的边缘阻抗为100Ω-400Ω，并不符合微波器件通用的50Ω系统，所以加上一段1/4波长阻抗转换器使得微带天线阵的边缘阻抗与50Ω达成匹配。假设微带天线的边缘阻抗为ZL，微带传输线的特性阻抗为Z0，1/4波长阻抗转换器的特性阻抗为Z1。
阻抗匹配的条件为：
参见图5，为本发明所述微带天线一个最佳实例的平面图。从图中可以看出，本发明将金属辐射贴片设置在介质基片的一个表面上；辐射贴片由子阵元组合而成；子阵元的形状为矩形；与此同时，子阵元之间用一定尺寸的微带传输线串联连接起来，并在阵的中心连接阻抗转换器及微带传输线，可以与标准SMA接口、BNC接口等进行馈电。
参见图6，为本发明所述微带天线一个最佳实例的底视图。从图中可以看出，本发明将金属接地板设置在与金属辐射贴片相对的介质基片的另一个表面上，并且在不同位置进行正方形开槽，开槽的位置为多边形子阵元顶点的映射位置。因此，本发明所述微带天线也可看作缝隙天线，通过这一结构的改进，对电磁波引向，使天线单元达到一定增益。
参见图7a，为本发明微带天线的回波损耗关于频率的曲线，从该图可以说明，本发明微带天线的服务频段是960MHz至1010MHz范围内，带宽在50MHz以上，因此它可以较容易地进行局部放电信号测量。本发明微带天线由于在960MHz至1010MHz范围内的回波损耗是-10dB以下，特别是在谐振频率980MHz达到31dB以下，所以反射电流的损耗值是非常小的。而且，它的带宽可以保持在50MHz量级上。图7b为本发明微带天线的方向图。每一同心圆的宽度代表6dB。从该图可以说明，本发明微带天线各个方向增益均达到10dB以上，特别是在标记m1处达到38.17dB。图7c为本发明微带天线的阻抗匹配图。从该图中可以说明，在980MHz中心频率处，天线的输入阻抗约为48.2-j5.5Ω，接近标准50Ω，这说明该天线结构已达到良好的阻抗匹配。
本发明的微带天线可以用作为超高频信号传感器，例如开关柜、GIS等，并可以将基片与固体模块设计在一起，所述固体模块是振荡器、放大电路、各种衰减器、开关电路、调制器、混频器、移相器等。此外，也可以用于各种无线通信设备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于，包括：一块介质基片、金属辐射贴片和金属接地板;所述介质基片包括第一表面和与第一表面相对的第二表面；金属辐射贴片设置于介质基片的第一表面，金属接地板设置于介质基片的第二表面上；
所述金属辐射贴片包括多个子阵元，多个子阵元之间用微带传输线串联连接起来，并在末端子阵元的中心连接阻抗转换器与微带传输线进行馈电；子阵元的形状为多边形；
所述金属接地板上开设有多个开槽缝隙，开槽缝隙的位置为子阵元多边形顶点的映射位置。
2.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述介质基片的厚度h<<λ，λ为介质基片的工作波长。
3.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：多个子阵元的排列方式是一字直线排列于所述介质基片的第一表面相对中心位置上。
4.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述开槽缝隙的形状为正方形，每一正方形开槽缝隙与金属辐射贴片子阵元的多边形顶点的映射位置相对应。
5.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述阻抗转换器，长度为四分之一工作波长，使得微带天线阵的边缘阻抗与标准接头50欧阻抗达成匹配。
6.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述金属辐射贴片的面积小于金属接地板的面积。
7.根据权利要求1所述的一种测量局部放电信号的开缝串联馈电微带天线阵，其特征在于：所述子阵元的形状为矩形。
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