CN111478031A - 一种特高频检测用分形天线 - Google Patents

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王科
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马仪
赵现平
沈龙
李�昊
刘红文
张文斌
张红兵
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Abstract

本申请提供一种特高频检测用分形天线，包括：电介质层、天线层以及凹槽，其中，所述天线层设置在所述电介质层上；所述天线层包括4个第一导线体和1个第二导线体；所述电介质层、所述第一导线体、所述第二导线体均为正方形；所述第二导线体的面积大于所述第一导线体的面积；所述第二导线体设置在所述电介质层的中心；4个所述第一导线体分别设置在所述电介质层的四个角上；所述第二导线体的四个角分别与4个所述第一导线体相连；所述凹槽设置在所述第一导线体和所述第二导线体的中心。本申请提供的分形天线在达到特高频检测频带要求的同时，分形天线的驻波比降低，灵敏度提高，能够满足局部放电特高频检测的要求。

Description

一种特高频检测用分形天线
技术领域
本申请涉及分形天线设计技术领域，尤其涉及一种特高频检测用分形天线。
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、热等物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，可采用特高频检测法对电气设备进行局部放电检测。
特高频检测法采用内置的或外置的特高频传感器检测电气设备内部或外部的频段在300MHz-3GHz的电磁波，从而检测局部放电。特高频传感器可采用分形天线。分形天线是指几何属性上具有分形特性的天线。由于分形结构具有自相似性(Self-similarity)，分形天线表现出多频的特性，通过调节分形结构中的参数，将多频的各个谐振点相互拉近，进而实现天线的宽带特性。其次，分形天线具有很强的空间填充性(Space-filling)，有利于天线的小型化、紧凑性和低散射截面。
分形天线结构的扩展频带源于形成分形图形的空间填充性和自相似性。分形天线经过分形后，分形图形会包含一些细小的结构，这些结构产生了连续的谐振，形成了较宽的频带。现有特高频检测用分形天线是根据频带要求设计不同的分形图形，但仍存在驻波比较大，灵敏度低的问题，满足不了局部放电特高频检测的要求。
发明内容
本申请提供了一种特高频检测用分形天线，以解决局部放电特高频检测用分形天线驻波比大，灵敏度低的问题，
本申请提供了一种特高频检测用分形天线，包括：电介质层、天线层、以及凹槽，其中，所述电介质层为正方形；
所述天线层设置在所述电介质层上；
所述天线层包括4个第一导线体和1个第二导线体；
所述第一导线体为正方形，所述第二导线体为正方形；
所述第二导线体的面积大于所述第一导线体的面积；
所述第二导线体设置在所述电介质层的中心；
4个所述第一导线体分别设置在所述电介质层的四个角上；
所述第二导线体的四个角分别与4个所述第一导线体相连；
所述凹槽设置在所述第一导线体和所述第二导线体的中心。
可选的，还包括馈电点，所述天线层上设置有两个所述馈电点，两个所述馈电点分别设置在所述天线层的两个对角上。
可选的，所述电介质层是玻璃纤维环氧树脂覆铜板。
可选的，所述凹槽是一字形凹槽。
可选的，所述凹槽的长度为6.5mm，宽度为2mm，高度为2mm。
可选的，所述第一导线体的边长是15mm，所述第二导线体的边长为30mm。
可选的，还包括接地层，所述接地层设置在所述电介质层远离所述天线层的一面上。
可选的，所述接地层由铜制成。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种特高频检测用分形天线，包括：电介质层、天线层以及凹槽，其中，所述电介质层为正方形；所述天线层设置在所述电介质层上；所述天线层包括4个第一导线体和1个第二导线体；所述第一导线体为正方形；所述第二导线体为正方形；所述第二导线体的面积大于所述第一导线体的面积；所述第二导线体设置在所述电介质层的中心；4个所述第一导线体分别设置在所述电介质层的四个角上；所述第二导线体的四个角分别与4个所述第一导线体相连；所述凹槽设置在所述第一导线体和所述第二导线体的中心。本申请提供的分形天线，通过将所述天线层设计为四个等面积的正方形第一导线体和一个面积较大的正方形第二导线体，并在每个导线体上设置一字型凹槽。使分形天线在达到特高频检测频带要求的同时，分形天线的驻波比降低，灵敏度提高，能够满足局部放电特高频检测的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种特高频检测用分形天线的结构俯视图；
图2为本申请实施例提供的一种特高频检测用分形天线的结构侧视图。
附图标记说明：
1、电介质层；2、天线层；21、第一导线体；22、第二导线体；3、凹槽；4、馈电点；5、接地层。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
在电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场强度达到该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有被击穿，仍然保持绝缘性能，这种现象称为局部放电。
特高频检测法是一种电气设备局部放电的检测方法。特高频检测法使用特高频传感器对局部放电中的特高频脉冲信号进行采集。在局部放电信号中含有正、负两种电荷，因此这两种电荷经常会发生中和反应，然后生成一个脉冲信号，最后以这种形式向外部释放电磁波。采用特高频法对局部放电进行检测比传统的检测方法有更强的抗干扰能力，灵敏度更高。
特高频检测法的关键技术之一是特高频传感器的研制，在设计用于局部放电特高频检测的特高频传感器分形天线时，需要综合考虑分形天线的天线效率、增益系数、阻抗特性、频带宽度和极化特性等基本要素。
(1)天线效率。
天线的效率η定义为天线转换能量的有效性。天线的效率是指辐射出去的功率(即有效地转换电磁波部分的功率)和通过馈电点输入到天线的有功功率之比。则天线的效率表示为：
Figure BDA0002461288710000041
其中，pr表示天线的辐射功率，pin表示天线的输入功率。天线效率一般都小于1，因为天线的输入功率一部分转化为辐射功率，另一部分则转化为损耗功率，其包括导线损耗、介质损耗、网络损耗、周边电磁感应损耗等。因此提高天线辐射效率也主要从导致其损耗的原因出发。
(2)增益系数。
方向系数说明天线辐射能量的集中程度，方向系数的增大相当于辐射功率的提高。功率则表示天线在能量变换上的能力，而将两者联系起来的，则可以表示天线总的收益程度，因此引入增益系数这一指标。
在馈电点处产生输入功率相同的情况下，待测天线在某点产生的电场强度的平方与理想的点源天线在空间内相同一点辐射的电场强度的平方的比值，称为该待测天线在这个点所在方向的增益G，即，
Figure BDA0002461288710000042
其中，E表示待测天线在某点产生的电场强度，E0表示理想的点源天线在空间内相同一点辐射的电场强度。
同样，增益的定义也可以表述为：理想的无耗点源天线和待测天线在空间内某点产生的电场强度相同的条件下，两者输入功率的比值表示待测天线在该点所在方向的增益G，即，
Figure BDA0002461288710000043
其中，pin0表示无耗理想点源天线的输入功率，pin表示待测天线的输入功率。
(3)阻抗特性
一般情况下，由于要考虑到电路中的功率容量和损耗等问题，为了达到最大功率传输能量，在电路端天线电路的输入阻抗与电路的特征阻抗达到共轭的效果。大部分情况下电路与天线输入端的共轭匹配存在误差，很难达到理想的效果，所以在天线的输入端口电路往往存在一定的反射电流，导致部分功率返回到原电路中，在电路端口处形成驻波，这样就产生了天线端口电压驻波比VSWR和回波损耗参数。电压驻波比VSWR和反射系数的关系如下，
Figure BDA0002461288710000051
其中，Γ为反射系数，即反射电压波与入射电压波幅度之比。在理想条件下，电压驻波比VSWR等于1，但是实际情况下VSWR一般要大于1。
(4)频带宽度
天线所有的性能指标都和天线的工作频率有关，天线的工作频率决定着天线的性能，天线能发挥其最大的辐射能力的频率称为天线的中心工作频率。当其工作频率发生变化时，将会影响天线其他性能指标，比如方向图畸变、增益系数降低以及输入阻抗的改变。天线的带宽与天线的电压驻波比和带宽的关系为：
Figure BDA0002461288710000052
其中，Q为天线的品质因数，如果天线的Q值较高，会使天线的带宽变窄，这是因为天线的能量并没有很好的辐射出去，介质的电场能量以及介质所引起的表面波被存储在天线的近场。
(5)极化特性
根据天线在其最大辐射方向上的电场极化形式来定义天线的极化，可以分为线极化、圆极化和椭圆极化。在以地面为参照时，线极化又可以分为垂直极化和水平极化形式。圆极化又分为左旋和右旋极化。描述极化特性有三个参数，即轴比、旋转方向和倾角。
天线在其最大辐射方向上所需要的极化分量成为主极化，而与主极化成正交的极化称为交叉极化或者寄生极化。对于线极化天线来说，交叉极化方向和主极化方向垂直；对于圆极化天线，交叉极化可以看成是与主极化旋向相反的分量。在同一系统中，天线的收、发极化必须一致，这种一致性则成为极化匹配，此时极化效率为1。
参见图1，本实施例提供了一种特高频检测用分形天线，包括：电介质层1、天线层2以及凹槽3，其中，
所述电介质层1为正方形，在本实施例中，所述电介质层1的边长为60mm，比传统的电介质层边长90mm减少了33％，可以在保证天线层在电介质层的有效布置下，最大化的减小了电介质层的尺寸，以缩小分形天线的整体尺寸，达到小型化的目的，使其更加便携。
所述天线层2设置在所述电介质层1上，可以通过印刷工艺将所述天线层2印制在所述电介质层1。采用印刷工艺制作的印刷天线具有大带宽、容易阻抗匹配、辐射损耗小和易于有源器件集成等优点。
所述天线层2包括4个第一导线体21和1个第二导线体22，所述第一导线体21为正方形，所述第二导线体22为正方形，所述第二导线体22的面积大于所述第一导线体21的面积，所述第二导线体22设置在所述电介质层1的中心，4个所述第一导线体21分别设置在所述电介质层1的四个角上，所述第二导线体22的四个角分别与4个所述第一导线体21相连。
本实施例提供的特高频检测用分形天线是基于Sierpinski方毯分形天线，在其一阶模型上进行设计的。所述分形天线结构是由一个在中间面积较大的正方形和周围四个面积较小的正方形构成的。中间正方形通过四个角与四个面积较小的正方形相连接。
Sierpinski方毯分形天线的多频特性在天线的辐射阻抗和方向图上都能很好的体现。分形的特性之一就是分维数。这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间，也使其能够用于天线小型化设计的一个关键原因。
一阶Sierpinski方毯分形结构会产生一个谐振点，这个谐振点一般都会处在低频段，当天线的迭代次数不断增加时，天线会在高频处产生新的谐振频点，天线的谐振点的数目和迭代次数等同，而且不同的谐振点处，天线的辐射特性都很接近。天线采用不同维数的分形结构在保持原有天线的增益和效率变化不大的前提下，还可以实现多频段的工作特性。
所述凹槽3设置在所述第一导线体21和所述第二导线体22的中心。本申请通过对天线导线体进行开槽技术，增大了天线的有效长度，改善了天线在低频段的性能参数。
通过在所述第一导线体21和所述第二导线体22的中心设置凹槽3，进行开槽挖空处理，以此改变天线导线体表面电流分布的方法。一般情况下分形天线工作在谐振模式，谐振频率对应的波长长度决定天线的工作频率。通过开槽等方法增加导线体表面电流的分布路径长度后，就可以得到相应较低的工作频率。
可选的，还包括馈电点4，所述天线层2上设置有两个所述馈电点4，两个所述馈电点4分别设置在所述天线层2的两个对角上。
馈电点是天线与馈送电缆的连接点，可以传送电信号，本实施例提供的分形天线将两个馈电点设置在对角位置，可以用于实现分形天线的匹配和传送信号功能，同时，这样的馈电方式可以保证良好的圆极化性能。
可选的，所述电介质层1是玻璃纤维环氧树脂覆铜板。本实施例中，采用FR-4级玻璃纤维环氧树脂覆铜板。FR-4级环氧玻纤布基板，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。它的粘结片和内芯薄型覆铜板，是制作多层印制电路板的重要基材。
玻璃纤维环氧树脂覆铜基板的机械性能、尺寸稳定性、抗冲击性、耐湿性能比纸基板高。它的电气性能优良，工作温度较高，本身性能受环境影响小。在加工工艺上，要比其他树脂的玻纤布基板具有很大的优越性，广泛应用于双面印制电路板中。
可选的，所述凹槽3是一字形凹槽。所述凹槽3的长度为6.5mm，宽度为2mm，高度为2mm。在天线导线体的表面开槽挖空或开一条缝时，原来导线体表面的电流路径被槽或缝切断了，使得电流绕着开槽或缝的边缘曲折流过，从而路径变长，也相当于导线体的尺寸增加，于是谐振频率下降，从而保证分形天线小型化。本实施例将所述凹槽3设置为长度为6.5mm，宽度为2mm，高度为2mm的一字形凹槽，可以在提高分形天线带宽的同时，有效的减小了分形天线的体积。
可选的，所述第一导线体21的边长是15mm，所述第二导线体22的边长为30mm。在本实施例中，所述电介质层的边长为60mm，将所述第一导线体21的边长设置为15mm，所述第二导线体22的边长设置为30mm。可以使导线体在电介质层上充分分布，不会造成空间浪费，达到小型化的目的，使本实施例提供的变形天线更加便携。
参见图2，可选的，还包括接地层5，所述接地层5设置在所述电介质层1远离所述天线层2的一面上。通过在导体下方一定距离的位置上设置接地层5，可以创建与导体长度相同的镜像。被组合在一起时，这些引脚作为偶极天线使用。接地层的面积越大，分形天线的谐振频率越低，因此回波损耗，电压驻波比也会越小。
可选的，所述接地层5由铜制成。所述接地层5由金属材料构成，可以根据实际需要，选择铜、银、金或铝等金属材料，可以使接地层5具有良好的导电特性。
本实施例提供的特高频检测用分形天线，通过仿真实验，分形天线的中心频率为922MHz，增益可达到-30dB。当增益在-10dB以下，分形天线频率从914MHz上升至929MHz时，带宽达到15MHz，完全覆盖中国的特高频频率(920-925MHz)的范围。可以满足局部放电特高频检测的要求。
分形天线的电压驻波比小于2，具有很好的圆极化性能，能够记录局部放电的大部分信息，几乎不会造成遗漏。输出的阻抗为52欧姆，易于与信号传输线路形成阻抗匹配。同时，本实施例提供的分形天线具有球状的方向性，对于来自各个方向的信号具有相同的增益，有利于接收复杂折反射的局部放电信号，对微弱信号具有较高的灵敏度。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种特高频检测用分形天线，包括：电介质层1、天线层2以及凹槽3，其中，所述电介质层1为正方形；所述天线层2设置在所述电介质层1上；所述天线层2包括4个第一导线体21和1个第二导线体22；所述第一导线体21为正方形；所述第二导线体22为正方形；所述第二导线体22的面积大于所述第一导线体21的面积；所述第二导线体22设置在所述电介质层1的中心；4个所述第一导线体21分别设置在所述电介质层1的四个角上；所述第二导线体22的四个角分别与4个所述第一导线体21相连；所述凹槽3设置在所述第一导线体21和所述第二导线体22的中心。
本申请提供的分形天线，通过将所述天线层设计为四个等面积的正方形第一导线体和一个面积较大的正方形第二导线体，并在每个导线体上设置一字型凹槽。使分形天线在达到特高频检测频带要求的同时，分形天线的驻波比降低，灵敏度提高，能够满足局部放电特高频检测的要求。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种特高频检测用分形天线，其特征在于，包括：电介质层(1)、天线层(2)以及凹槽(3)，其中，
所述电介质层(1)为正方形；
所述天线层(2)设置在所述电介质层(1)上；
所述天线层(2)包括4个第一导线体(21)和1个第二导线体(22)；
所述第一导线体(21)为正方形，所述第二导线体(22)为正方形；
所述第二导线体(22)的面积大于所述第一导线体(21)的面积；
所述第二导线体(22)设置在所述电介质层(1)的中心；
4个所述第一导线体(21)分别设置在所述电介质层(1)的四个角上；
所述第二导线体(22)的四个角分别与4个所述第一导线体(21)相连；
所述凹槽(3)设置在所述第一导线体(21)和所述第二导线体(22)的中心。
2.根据权利要求1所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，还包括馈电点(4)，所述天线层(2)上设置有两个所述馈电点(4)，两个所述馈电点(4)分别设置在所述天线层(2)的两个对角上。
3.根据权利要求1所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，所述电介质层(1)是玻璃纤维环氧树脂覆铜板。
4.根据权利要求1所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，所述凹槽(3)是一字形凹槽。
5.根据权利要求4所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，所述凹槽(3)的长度为6.5mm，宽度为2mm，高度为2mm。
6.根据权利要求1所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，所述第一导线体(21)的边长是15mm，所述第二导线体(22)的边长为30mm。
7.根据权利要求1所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，还包括接地层(5)，所述接地层(5)设置在所述电介质层(1)远离所述天线层(2)的一面上。
8.根据权利要求7所述的一种特高频检测用分形天线，其特征在于，所述接地层(5)由铜制成。
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