CN104916911A

CN104916911A - 脊波导天线

Info

Publication number: CN104916911A
Application number: CN201510347635.3A
Authority: CN
Inventors: 段大鹏; 任志刚; 齐伟强; 曹佳楣; 王维; 马婧珺; 谷禹; 高明伟
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Beijing Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Beijing Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明提供了一种脊波导天线，包括：矩形波导，具有腔体；脊形部，前后对称设置于腔体的前腔面和后腔面上；加载介质层，设置于腔体中，加载介质层具有前后对称设置的开口，开口的内表面与脊形部的部分表面相连，且加载介质层的四周与腔体相连。由于本申请的上述脊波导天线具有对称设置的双脊形部，从而有效地增大了矩形波导的主模截止波长，并且由于具有设置于天线中的加载介质层，从而通过提高天线的阻抗匹配特性，进一步扩展了矩形波导的主模截止波长，进而提高了天线的等效高度，使其具有较高的检测灵敏度。

Description

脊波导天线

技术领域

本发明涉及接收天线技术领域，具体而言，涉及一种脊波导天线。

背景技术

接收天线工作的物理过程是，天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压，在接收的回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，。

通常在气体绝缘组合电器(GIS)中安装内置的接收天线作为局放检测传感器，用于检测GIS局部放电绝缘子金属环浇注孔辐射的UHF电磁波信号，信号频率主要分布在800MHz-2GHz范围内。

接收天线的主要参数包括天线的方向性、增益与方向图、极化特性、反射系数与驻波比、工作带宽和等效高度，等效高度h_e与之相同极化的入射电场E相乘，就得到感应电压V，即V＝h_eE，据此，等效高度可定义为感应电压与入射电场之比：

GIS中的天线需要其本身的等效高度在800MHz-2000GHz内能够达到4mm以上，而且等效高度频率特性曲线在这段频率内变化相对要平缓。因此，在现有技术中急需一种天线，以满足气体绝缘组合电器(GIS)中对较高等效高度的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种脊波导天线，以提供一种具有较高等效高度的天线。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种脊波导天线，包括：矩形波导，具有腔体；脊形部，前后对称设置于腔体的前腔面和后腔面上；加载介质层，设置于腔体中，加载介质层具有前后对称设置的开口，开口的内表面与脊形部的部分表面相连，且加载介质层的四周与腔体相连。

进一步地，脊形部的任意横截面为矩形结构。

进一步地，矩形波导横截面的前边为长边，矩形波导横截面的侧边为宽边。

进一步地，脊形部的长度与矩形波导的长度之比为0.3～0.5。

进一步地，对称设置的脊形部之间的水平间距与矩形波导宽度之比为0.1～0.3。

进一步地，脊形部之间的水平间距为1～10mm。

进一步地，加载介质层的厚度为0.2～2mm。

进一步地，加载介质层的材料为FR4。

进一步地，矩形波导的材料为铝合金和/或黄铜。

进一步地，脊形部的材料为铝铂、紫铜和银中的任一种或多种。

进一步地，脊波导天线还包括同轴电缆，同轴电缆的外导体与前端的脊形部连接，同轴电缆的内导体贯穿前端的脊形部并插入后端的脊形部中。

进一步地，脊形部的底面与矩形波导的底面构成脊波导天线的底面。

进一步地，脊波导天线的底面为拱形。

应用本发明的技术方案，本发明提供了一种脊波导天线，由于本申请的上述脊波导天线具有对称设置的双脊形部，从而有效地增大了矩形波导的主模截止波长，并且由于具有设置于天线中的加载介质层，从而通过提高天线的阻抗匹配特性，进一步扩展了矩形波导的主模截止波长，进而提高了天线的等效高度，使其具有较高的检测灵敏度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的脊波导天线的俯视结构剖面示意图；

图2示出了本发明实施方式所提供的具有同轴电缆的脊波导天线的正视结构剖面示意图；

图3示出了本发明实施例1所提供的脊波导天线的增益-频率曲线；以及

图4示出了本发明实施例1所提供的脊波导天线的驻波比曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，在现有技术中急需一种天线，以满足气体绝缘组合电器(GIS)中对较高等效高度的需求。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种脊波导天线，如图1至2所示，包括：矩形波导10，具有腔体；脊形部20，前后对称设置于腔体的前腔面和后腔面上；加载介质层30，设置于腔体中，加载介质层30具有前后对称设置的开口，开口的内表面与脊形部20的部分表面相连，且加载介质层30的四周与腔体相连。

由于本申请的脊波导天线具有对称设置的双脊形部，从而有效地增大了矩形波导的主模截止波长，并且由于具有设置于天线中的加载介质层，从而通过提高天线的阻抗匹配，进一步增大了矩形波导的主模截止波长，进而提高了天线的等效高度，使形成的天线具有较高的灵敏度。

在本申请上述的脊波导天线中，优选地，脊形部20的任意横截面为矩形结构。更为优选地，脊形部20对称设置于腔体的前腔面和后腔面的中点位置；并且，矩形波导10横截面的前边为长边，矩形波导10横截面的侧边为宽边。脊形部20与矩形波导10的材料也可以根据实际需求进行选择，优选地，脊形部20与矩形波导10由不同的材料制备而成。优选地，矩形波导10的材料为铝合金和/或黄铜；脊形部20的材料为铝铂、紫铜和银中的任一种或多种。

具有脊形部20的矩形波导10只能传输TE模式和TM模式。虽然矩形波导10主模是TE10模，但在其中加入脊形部20并没有使矩形波导10的主模发生变化，只是在脊边沿处加入了对场的扰动(即容性加载)，使波导主模频带得到扩展，主模截止波长变长，与TE20相差会更大，从而使单模传输带宽可以达到数倍频程。具有脊形部20的矩形波导10的主模工作带宽为：Δf＝f_c20-f_c10。f_c10是TE₁₀模式的截止频率，f_c20是TE₂₀模式的截止频率。

波导结构为高通结构，一定频率以上的电磁波才能在波导中传播，低于该频率的波则会出现截止不能传播的现象，波导中刚好能传播的最低频率对应的波长称为截止波长。矩形波导10的主模TE10模的截止波长为矩形波导10长边尺寸的两倍。以矩形波导10长边60mm计算，其截止波长为120mm，对应频率为2.5GHz。因此，若矩形波导10的TE10波的下限截止频率过高，则无法有效地接收局部放电UHF信号。而在本申请上述的脊波导天线中，由于设置有脊形部20，从而有效地增大了波导的主模截止波长，并且采用加载介质层30进一步增大了截止波长。

在本申请上述的脊波导天线中，优选地，脊形部20长度s与矩形波导10长度a之比为0.3～0.5。在上述优选的参数范围内脊波导天线会有良好的阻抗特性，能够与50Ω阻抗实现良好的匹配。并且，优选地，对称设置的脊形部20之间的水平间距d与矩形波导10宽度b之比为0.1～0.3。由于脊波导天线的下限截止频率由天线的脊加载电容C和波导两侧的等效电感L决定，通过调整脊形部20长度s与矩形波导10长度a之比至上述优选的参数范围，能够进一步降低脊波导天线的下限截止频率(300～500Hz)，从而使主模截止波长变长。

现有技术中GIS为金属全封闭结构，在相邻两节GIS腔体之间，有盆式绝缘子。目前多数盆式绝缘子外侧都有金属环，该金属环在GIS运行过程中起到安全接地和防腐蚀、防辐射功能。一般情况下，金属环的厚度为25mm，在金属环上有一个小孔，在盆式绝缘子制造过程中用作浇注环氧树脂。小孔大致呈圆角矩形，其长度为45～55mm，宽度为15～25mm。GIS内部UHF电磁波有可能通过金属环小孔辐射出来。

由于本申请上述的脊波导天线安装在GIS盆式绝缘子的外部的金属环开孔处，孔的最小尺寸为45mm×15mm。为了避免外界的电磁干扰，以及便于天线的安装和调试，矩形波导10长度a大于45，宽度大于15，优选地，矩形波导10长度a大于矩形波导10宽度b。为了更好的与矩形波导10长度a与宽度进行匹配，优选地，矩形波导10的腔体的高度为50～100mm；脊形部20的高度为5～50mm。

在本申请上述的脊波导天线中，优选地，脊形部20之间的水平间距d为1～10mm。由于当脊形部20宽度s增加，分布电容增大，而分布电感减小，脊形部20宽度s的变化对于矩形波导10的谐振频率影响相对较小；另一方面，当脊形部20之间的水平间距d增大，分布电容减小，而分布电感基本不变，所以矩形波导10的谐振频率对脊形部20之间的水平间距d的变化是比较敏感的。因此通过调整脊形部20之间的水平间距至上述优选的参数范围内，能够使矩形波导10的谐振频率达到800～2000Hz，更好的与GIS进行匹配。

可以根据实际需求对加载介质层30的材料与尺寸进行选择，在本申请上述的脊波导天线中，优选地，加载介质层30的厚度为0.2～2mm；加载介质层30的材料为FR4。由于过多的加载介质会导致天线的损耗增大，从而将本申请的加载介质层30限定在上述优选的参数范围内，能够有效地降低脊波导天线的损耗；并且，由于加载介质层30由上述优选的材料制备而成，电磁波在不同介质的波导中波长不同，相当于加载了不同的电容与电感，从而使脊波导天线具有更好的阻抗匹配。

在本申请上述的脊波导天线中，优选地，脊波导天线还包括同轴电缆40，同轴电缆40的外导体与前端的脊形部20连接，同轴电缆40的内导体贯穿前端的脊形部20并插入后端的脊形部20中，如图2所示。由于本申请的脊波导天线采用同轴电缆40到具有脊形部20的矩形波导10的馈电方式，为了使传输电磁波由同轴电缆40到脊波导顺利过度，即TEM波(同轴电缆40里的传输模式)转换到TE10波(矩形波导10的传输模式)，通过同轴电缆40外导体和前端的脊形部20相连，然后内导体由同轴内部探出来、插入后端的脊形部20中，从而能够使同轴电缆40内的能量顺利过度到具有脊形部20的矩形波导10内。

在本申请上述的脊波导天线中，优选地，脊形部20的底面与矩形波导10的底面构成脊波导天线的底面；更为优选地，脊波导天线的底面为拱形，从而使其良好的与绝缘子金属环进行无缝隙接触。优选地，馈电输出采用N口(标准化接口形式)。

下面将结合实施例进一步说明本申请提供的脊波导天线。

实施例1

选择使用CST软件来对本申请提供的脊波导天线进行仿真设计：

首先，用CST软件建立脊波导天线初步模型，矩形波导的长宽比a×b＝60×30mm，脊形部宽度s＝20mm，对称设置的脊形部之间的水平间距d＝5mm，矩形波导的高度为H＝60mm，加载介质层的相对介电常数取为ε_r＝4。

然后，通过CST仿真优化，设计脊波导天线和加载介质层参数以获得良好的接收效果，得到参数如下：矩形波导尺寸为a×b＝58×34mm，腔体高度为70mm，脊形部宽度s＝30mm，对称设置的脊形部之间的水平间距d＝4mm，脊形部高度为14mm，加载介质层的材料为FR4，介电常数为4.4，加载介质层的厚度为1mm。

使用CST软件计算本实施例的脊波导天线在0.8-2GHz各频率点的增益值，绘制曲线如图3所示；

并且，使用CST软件得到本实施例的脊波导天线在0.03～2GHz频段范围内的天线驻波比，如图4所示；

最后，采用GTEM(吉赫兹横电磁波)进行电磁测试，采用ns级的信号发生器给GTEM室注入脉冲信号，本实施例的脊波导天线放置在GTEM室的测试窗口，由示波器采集脊波导天线的输出，经传递特性已知的参考天线对待测传感器进行标定和软件处理后，得到本实施例的脊波导天线的等效高度曲线，如表1所示：

表1

频率范围	等效高度
		800MHz-2000MHz	4.63mm

从上述测试结果可以看出，与现有技术中应用于GIS浇注孔式的接收天线(等效高度为2～3mm)相比，本实施例的脊波导天线具有较高的等效高度，从而使本实施例的脊波导天线能够具有较高的灵敏度。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明提供了一种脊波导天线，由于本申请的上述脊波导天线具有对称设置的双脊形部，从而有效地增大了矩形波导的主模截止波长，并且由于具有设置于天线中的加载介质层，从而通过提高天线的阻抗匹配，进一步增大了矩形波导的主模截止波长，进而提高了天线的等效高度，使形成的天线具有较高的灵敏度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种脊波导天线，其特征在于，包括：

矩形波导(10)，具有腔体；

脊形部(20)，前后对称设置于所述腔体的前腔面和后腔面上；

加载介质层(30)，设置于所述腔体中，所述加载介质层(30)具有前后对称设置的开口，所述开口的内表面与所述脊形部(20)的部分表面相连，且所述加载介质层(30)的四周与所述腔体相连。

2.根据权利要求1所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊形部(20)的任意横截面为矩形结构。

3.根据权利要求1所述的脊波导天线，其特征在于，所述矩形波导(10)横截面的前边为长边，所述矩形波导(10)横截面的侧边为宽边。

4.根据权利要求2所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊形部(20)的长度与所述矩形波导(10)的长度之比为0.3～0.5。

5.根据权利要求3所述的脊波导天线，其特征在于，对称设置的所述脊形部(20)之间的水平间距与所述矩形波导(10)宽度之比为0.1～0.3。

6.根据权利要求2所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊形部(20)之间的水平间距为1～10mm。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述加载介质层(30)的厚度为0.2～2mm。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述加载介质层(30)的材料为FR4。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述矩形波导(10)的材料为铝合金和/或黄铜。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊形部(20)的材料为铝铂、紫铜和银中的任一种或多种。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊波导天线还包括同轴电缆(40)(40)，所述同轴电缆(40)的外导体与前端的所述脊形部(20)连接，所述同轴电缆(40)的内导体贯穿前端的所述脊形部(20)并插入后端的所述脊形部(20)中。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊形部(20)的底面与所述矩形波导(10)的底面构成所述脊波导天线的底面。

13.根据权利要求12所述的脊波导天线，其特征在于，所述脊波导天线的底面为拱形。