CN105305062A - 电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线及设计方法。所述分形天线包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和Wunderlich分形导线层；导线层中的导线采用宽度和长度相等的平行导线、短路终端和附加导线组成的Wunderlich分形曲线，平行导线的宽度b、长度d与所述天线的谐振频率f满足如下关系：<maths num="0001"></maths>c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。本发明具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够满足电气设备局部放电超高频检测对传感器的设计要求；并且制作简单，体积小巧，便于安装在电气设备内部用于提高设备的灵敏度和抗干扰能力。

Description

电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线及设计方法

技术领域

本发明涉及一种电气设备局部放电超高频检测用的天线及设计方法，尤其是一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线及设计方法，属天线技术领域。

背景技术

电气设备发生的故障以绝缘故障为主，绝缘故障的重要表现形式是局部放电。局部放电是指发生在电气设备绝缘结构中局部区域内的放电现象。可通过检测伴随局部放电产生的声、光、电、热等理化现象的物理量来检测局部放电的发展状况和严重程度，检测方式可大致分为电量检测法和非电量检测法。在电量检测法中，由于局部放电脉冲宽度可达1-2ns，可激发频率达1GHz以上的电磁波，因此，可采用超高频法对电气设备进行局部放电检测。

超高频检测法的关键技术之一是超高频传感器的研制。目前，国内外研制的内置传感器主要是基于电容分压和天线原理来设计，其尺寸较大，检测灵敏度较低。研制的外置超高频传感器主要有双锥型天线、缝隙天线、微带贴片天线、振子天线和环形天线等。

由于分形天线具有严格的自相似性和空间填充性，可以实现天线的多频段和小型化应用。目前研究较多的分形天线主要有Koch岛、Sierpinski地毯分形、Hilbert分形天线、Peano分形天线和Minkowski分形天线。

Wunderlich分形天线使用Wunderlich分形曲线作为平面导线的分形曲线形式，图1(a)-(c)分别是一至三阶Wunderlich分形曲线形状示意图，Wunderlich分形曲线可以描述为：将正方形等分成四个一阶小正方形，依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的正方形中心，得到一个分型(分形)单元，即一阶Wunderlich分形；将每个一阶小正方形分别分割为四个三阶小正方形，重复上述过程，生成的高阶分形单元开口方向遵守一定规则，图1(b)和(c)中，左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：左、下、下、右。对于4阶Wunderlich分形曲线，左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：右、右、左、左，4阶以上Wunderlich分形曲线与4阶Wunderlich分形曲线相同，并按照特定的顺序连接分型(分形)单元的开口，图1中为依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元开口，最终就得到一条可以填满整个正方形的曲线，这就是Wunderlich曲线。Wunderlich分形天线的导线层构成的高阶分形曲线中，成对出现的两个边为平行导线，如图2中的细实线，连接平行导线的边为短路终端，即图2中的粗实线，将分形单元连接为完整曲线的边为附加导线段，如图2中的粗虚线所示。在Wunderlich分形天线中，三类导线，即平行导线、短路终端和附加导线的长度都相等，其结构更加紧凑，容易制出体积更小的天线。因此，合理设置Wunderlich分形天线的参数有望电气设备内部的局部放电的检测水平。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供，提供一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线。

本发明采用下述技术方案：

技术方案一：

一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和Wunderlich分形导线层；所述Wunderlich分形导线层中的导线采用Wunderlich分形曲线，由1条以上平行导线、1条以上短路终端和1条以上附加导线连接而成；所述平行导线、短路终端和附加导线的宽度和长度分别相等，其特征在于：所述平行导线的宽度b和长度d由所述天线的谐振频率f确定。

所述平行导线的宽度b、长度d与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(1\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。

所述介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。

所述天线的还包括贯穿接地板、介质基板和导线层的馈电通孔。

技术方案二：

一种所述电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线的设计方法：

步骤1：设定所述Wunderlich分形导线层中的导线采用Wunderlich分形曲线的阶数；

步骤2：设定Wunderlich分形天线的工作频率；

步骤3：选择所述平行导线的宽度b、长度d，与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(2\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够满足电气设备局部放电超高频检测对传感器的设计要求；

2、天线制作简单，不仅可节省测量设备，而且体积小巧，便于安装在电气设备内部，从而提高了设备的灵敏度和抗干扰能力。

附图说明

图1为一至三阶Wunderlich分形曲线形状示意图；

图2为二阶Wunderlich分形天线中导线段分类示意图；

图3为本发明实施例1中三阶Wunderlich分形天线正面示意图；

图4为本发明实施例1中三阶Wunderlich分形天线A-A’剖面图；

图5为本发明实施例1中三阶Wunderlich分形天线立体图；

图6为本发明实施例1中天线在1GHz时的驻波比示意图；

图7为本发明实施例1中天线在1GHz时的三维方向和增益示意图；

图中各标号清单为：1-介质基板，2-导线层，3-接地板、4-短路终端，5-平行导线，6-附加导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图3至图5所示，一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，包括介质基板1和分别敷设于介质基板两侧的接地板3和Wunderlich分形导线层2；所述Wunderlich分形导线层2中的导线由1条以上平行导线5、1条以上短路终端4和1条以上附加导线6连接而成；所述平行导线5、短路终端4和附加导线6的宽度和长度分别相等，其特征在于：所述平行导线5的宽度b和长度d由所述天线的谐振频率f确定。

所述平行导线5的宽度b、长度d与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(1\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。

所述介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。

所述Wunderlich分形导线层中的导线采用三阶Wunderlich分形曲线，由27条平行导线5、18条短路终端4和35条附加导线6组成。

所述天线的还包括贯穿接地板、介质基板和导线层的馈电通孔22。

实施例2：

一种所述电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线的设计方法：

步骤1：设定所述Wunderlich分形导线层中的导线采用Wunderlich分形曲线的阶数；

步骤2：设定Wunderlich分形天线的工作频率；

步骤3：选择所述平行导线5的宽度b、长度d，与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(2\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。

Wunderlich分形导线段总电感L_in约等于半波长偶极子天线的电感L_d，即L_in≈L_d。

假设二阶Wunderlich分形天线短路终端4导线长度与波长相比足够小，可对tan(βd/2)进行三阶泰勒公式展开，得到Wunderlich分形天线的所有谐振频率f：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)(1+\frac{1}{3}{\left(\frac{\mathrm{\&beta;}d}{2}\right)}^2)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(3\right)$

其中，c₀为真空中光速，β为相位常数，β＝2π/λ，m为平行双导线条数m＝27，s为导线段总长度，k∈{0,R⁺}。

若考虑的是对tan(βd/2)进行一阶泰勒公式展开，则有

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(\log \right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;md\log \left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(\log \right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(4\right)$

在这种情况下，因为导线段长度d远小于所求频率波长λ，因此在设计天线时，可以采用一阶泰勒公式简化方程求解Wunderlich分形天线的谐振频率。

Wunderlich分形天线的特点：

1.在300MHz到3GHz频带范围内驻波比小于3.5，检测频带较宽，能够记录局部放电的大部分信息。

2.具有50欧姆的输出阻抗，易于与信号传输线路形成阻抗匹配。

3.具有椭球状的方向性，对来自天线正面的信号具有很高的增益，有利于接收在电气设备中发生复杂折反射的局部放电信号，尤其对微弱信号具有高灵敏性。

Wunderlich分形导线层2敷设于介质基板1的上表面，在介质基板1上的覆盖面为矩形面，覆盖面的边长为导线层的边长；接地板3为矩形面，敷设于介质基板1的下表面；Wunderlich分形导线层2根据Wunderlich三阶分形原理进行设置，组成三阶辐射天线元件；Wunderlich分形导线层2上设置有馈电通孔22，馈电通孔设置在接近于介质基板1覆盖面的几何中心点处。

本实施例中，Wunderlich分形导线层2为铜箔，根据计算所得的导线段的宽度b为2mm，导线段长度d为4mm，介质基板1采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料(FR-4)，厚度为2mm，宽度为62mm。

图6为导线段长度d为4mm，宽度b为2mm，介质基板厚度为2mm时天线的驻波示意图。通过图6可以看出，天线在300MHz-3GHz范围内VSWR<3.5，能够满足设计和使用要求。仿真得到的天线方向和增益示意图如图7所示，天线具有椭球状的方向性，能接受来自各个方向的电磁波信号，其方向性和增益都比较好。

Claims (6)

1.一种电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，其特征在于：包括介质基板(1)和分别敷设于介质基板(1)两侧的接地板3和Wunderlich分形导线层(2)；所述Wunderlich分形导线层(2)中的导线由1条以上平行导线(5)、1条以上短路终端(4)和1条以上附加导线(6)连接而成；所述平行导线(5)、短路终端(4)和附加导线(6)的宽度和长度分别相等，其特征在于：所述平行导线(5)的宽度b和长度d由所述天线的谐振频率f确定。

2.根据权利要求1所述的电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，其特征在于：所述平行导线(5)的宽度b、长度d与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(log\right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;mdlog\left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(1og\right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(1\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。

3.根据权利要求1所述的电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，其特征在于：所述介质基板(1)的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。

4.根据权利要求1所述的电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，其特征在于：所述Wunderlich分形导线层中的导线采用三阶Wunderlich分形曲线，由27条平行导线(5)、18条短路终端(4)和35条附加导线(6)组成。

5.根据权利要求1所述的电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线，其特征在于：所述电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线还包括贯穿接地板、介质基板和导线层的馈电通孔。

6.一种用于所述电气设备局部放电超高频检测用Wunderlich分形天线的设计方法：

步骤1：设定所述Wunderlich分形导线层中的导线采用Wunderlich分形曲线的阶数；

步骤2：设定Wunderlich分形天线的工作频率；

步骤3：选择所述平行导线(5)的宽度b、长度d，与所述天线的谐振频率f满足如下关系：

$f=\frac{{\mathrm{kc}}_0\left(log\right(\frac{60kd}{b})-1)}{2\&lsqb;mdlog\left(\frac{2d}{b}\right)+s\left(1og\right(\frac{4s}{b})-1)\&rsqb;}---\left(2\right)$

其中，c₀为真空中光速，k∈{0,R⁺}，m为平行导线条数，β为相位常数，β＝2π/λ，s为所述Wunderlich分形导线层中的导线总长度。