CN107121625B - 局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线及设计方法，微型LS Peano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LS Peano分形导线层；导线层中的导线包括平行导线、短路终端和附加导线，平行导线和短路终端导线长度相等，附加导线的长度为平行导线长度的倍；平行导线的长度由天线的谐振频率决定。本发明将LS Peano分形天线用作信号传感器，该天线在300MHz到3GHz范围内具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够满足电气设备局部放电特高频检测对传感器的设计要求，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。

Description

局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线

技术领域

本发明涉及一种局部放电特高频检测用微型天线，尤其涉及一种局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，属于天线技术领域。

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，可采用特高频法对电气设备进行局部放电检测。

特高频检测法的关键技术之一是特高频传感器的研制。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。研制的外置特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分形天线和Minkowski分形天线。现有局部放电检测天线存在体积较大、检测频带较窄和驻波比不小于2等弊端。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

技术方案一：

一种局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，微型LS Peano分形天线用于接收电气设备局部放电特高频信号；所述微型LS Peano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LS Peano分形导线层；所述导线层中的导线包括平行导线、短路终端和附加导线，平行导线和短路终端导线长度相等，附加导线的长度为平行导线长度的倍；平行导线的长度由天线的谐振频率决定。

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1-3mm，所述接地板和导线层的材质为铜。

所述LS Peano分形天线设有馈电点，所述馈电点处设置有贯穿接地板、介质基板和导线层的通孔。

技术方案二：

一种用于技术方案一所述微型LS Peano分形天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定平行导线的条数m、短路终端的条数n和附加导线的条数t；

步骤2：确定微型LS Peano分形天线的谐振频率f：

其中，c₀为真空中光速c₀＝3×10⁸m/s，m、n、t分别为平行双导线的条数、短路终端的条数以及附加导线的条数，s为导线段总长度，k∈R+；d为平行导线的长度；

步骤3：对于不同的d值，分别计算天线谐振频率f，然后根据谐振频率f的可用范围确定平行导线长度的最佳值；

步骤4：根据平行导线长度的最佳值制作LS Peano分形天线。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：本发明将LS Peano分形天线用作信号传感器，该天线在300MHz到3GHz范围内具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够满足电气设备局部放电特高频检测对传感器的设计要求，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

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。

图1为一阶微型LS Peano分形曲线形状示意图；

图2为二阶微型LS Peano分形曲线形状示意图；

图3为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线中导线段分类示意图；

图4为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线正面示意图；

图5为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线A-A’剖面图；

图6为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线立体图；

图7为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线在1GHz时的驻波比示意图；

图8为实施例1的微型三阶LS Peano分形天线在1GHz时的三维方向和增益示意图；

其中：1、介质基板，2、导线层，3、接地板，4、通孔。

具体实施方式

实施例1：

LS Peano分形曲线也属于平面填充式Peano分形曲线的一种，图1和图2分别是是一、二阶微型LS Peano分形曲线形状示意图，微型LS Peano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3中的细实线所示，连接平行导线的边为短路终端，如图3中的粗实线所示，将分形单元连接为完整曲线的边为附加导线段，如图3中的虚线所示。在微型LS Peano分形天线中，平行导线和短路终端长度都相等，附加导线的长度为平行导线长度的倍，其结构更加紧凑，容易制出体积更小的天线。因此，合理设置LSPeano分形天线的参数有望提高电气设备内部的局部放电的检测水平。

一种用于电气设备局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，微型LS Peano分形天线接收电气设备的局部放电特高频信号；所述微型LS Peano分形天线包括介质基板1和分别敷设于介质基板1两侧的接地板3和微型LS Peano分形导线层2；所述导线层中的导线分为三种类型，分别称为平行导线、短路终端和附加导线，平行导线和短路终端导线长度为d，附加导线的长度为d，其数值根据弯折线天线谐振频率建立天线的谐振频率f公式、计算出与可用谐振频率相对应的导线段长度d的最佳值，从而得到所需的LS Peano分形天线。

上述用于电气设备局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，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。

上述用于电气设备局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，在微型LSPeano分形天线的馈电点处设置有贯穿接地板、介质基板和导线层的通孔4。

LS Peano分形天线是在介质基板1两侧分别敷设LS Peano分形导线层2和接地板3。导线层2内导线段划分为平行导线、短路终端导线和附加导线三种，平行导线和短路终端导线长度为d，附加导线的长度为LS Peano分形天线的谐振频率可根据弯折线天线谐振频率的计算方法推广得到，LS Peano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。

假设三阶LS Peano分形天线短路终端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LS Peano分形天线的所有谐振频率f：

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∈R+。

若考虑的是对tan(βd/2)进行一阶泰勒公式展开，则有

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(2)求解LS Peano分形天线的谐振频率。

LS Peano分形天线的特点：

1.在300MHz到3GHz频带范围内驻波比小于2，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。

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图4至图6所示，本发明的天线包括介质基板1、LS Peano分形导线层2接地板3。LS Peano分形导线层2敷设于介质基板1的上表面；接地板3为矩形面，敷设于介质基板1的下表面；LS Peano分形导线层2根据LS Peano三阶分形原理进行设置，组成三阶辐射天线元件；LS Peano分形导线层2上设置有馈电点，馈电点设置在介质基板1覆盖面的几何中心点处。

本实施例中，LS Peano分形导线层2为铜箔，根据计算所得的导线段的导线段长度d为1.3mm，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27.6mm。

图7为导线段长度d为1.3mm，介质基板厚度为2mm时天线的驻波示意图。通过图7可以看出，天线在300MHz-3GHz范围内VSWR<2，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8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。

本发明将微型LS Peano分形天线用作信号传感器，该天线在300MHz到3GHz范围内具有方向性好，频带宽，便于阻抗匹配等特点，能够满足电气设备局部放电特高频检测对传感器的设计要求，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。

实施例2：

一种用于技术方案一所述微型LS Peano分形天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定平行导线的条数m、短路终端的条数n和附加导线的条数t；

步骤2：确定微型LS Peano分形天线的谐振频率f：

其中，c₀为真空中光速c₀＝3×10⁸m/s，m、n、t分别为平行双导线的条数、短路终端的条数以及附件导线的条数，s为导线段总长度，k∈R+；d为平行导线的长度；

步骤3：对于不同的d值，分别计算天线谐振频率f，然后根据谐振频率f的可用范围确定平行导线长度的最佳值；

步骤4：根据平行导线长度的最佳值制作LS Peano分形天线。

Claims (4)

1.一种局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，微型LS Peano分形天线用于接收电气设备局部放电特高频信号；其特征在于：所述微型LS Peano分形天线包括介质基板(1)和分别敷设于介质基板(1)两侧的接地板(3)和LS Peano分形导线层(2)；所述导线层(2)中的导线包括平行导线、短路终端和附加导线，平行导线和短路终端导线长度相等，附加导线的长度为平行导线长度的倍；平行导线的长度由天线的谐振频率决定。

2.根据权利要求1所述的局部放电特高频检测用微型LS Peano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1-3mm，所述接地板(3)和导线层(2)的材质为铜。

3.根据权利要求1所述的局部放电特高频检测用微型LS Peano分形天线，所述LSPeano分形天线设有馈电点，所述馈电点处设置有贯穿接地板、介质基板和导线层的通孔(4)。

4.一种用于权利要求1所述微型LS Peano分形天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定平行导线的条数m、短路终端的条数n和附加导线的条数t；

步骤2：确定微型LS Peano分形天线的谐振频率f：

其中，c₀为真空中光速c₀＝3×10⁸m/s，m、n、t分别为平行双导线的条数、短路终端的条数以及附加导线的条数，s为导线段总长度，k∈R+；d为平行导线的长度；

步骤3：对于不同的d值，分别计算天线谐振频率f，然后根据谐振频率f的可用范围确定平行导线长度的最佳值；

步骤4：根据平行导线长度的最佳值制作LS Peano分形天线。