CN113422200A - 一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例公开了一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法。方案包括：上层辐射贴片、下层辐射贴片以及半刚性射频同轴电缆，所述半刚性射频同轴电缆分别穿过所述上层辐射贴片和所述下层辐射贴片；所述下层辐射贴片直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频信号，所述上层辐射贴片利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的特高频信号。本发明不仅能够直接耦合局放特高频电磁波，而且对反射信号具有良好的耦合效果，增强了信号接收强度，提升了GIS局部放电监测水平。

Description

一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其涉及一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法。

背景技术

GIS(Gas-Insulated Switchgear，气体绝缘金属全封闭开关设备)因其突出的优越性在如今的电力系统得到了广泛的应用。GIS设备的绝缘故障严重影响了设备的运行安全，目前，一般利用检测GIS设备内部局部放电的方法对GIS的绝缘状态做出评估。

特高频法检测灵敏度高、抗干扰能力强且能通过不同传感器之间接收信号的时间差实现定位的功能，所以该方法被认为是一种较为成熟的局部放电检测方法，在实际工程中得到了较为广泛的应用。GIS设备内部发生局部放电时会产生频率在300MHz-3GHz的特高频电磁波，特高频法通过传感器天线接收特高频电磁波，经过信号调理模块处理将数据传输至采集卡，进而再上传至计算机进行进一步处理，最终得到特高频信号波形，有助于下一步分析判别。特高频法传感器大致可以分为内置式、外置式与内置于盆式绝缘子的环形传感器。内置式传感器由于放置在内部，其检测灵敏度更高、抗电磁干扰能力更强。

目前，一般内置式传感器天线并未考虑由GIS设备内壁所反射的电磁波，通过对于天线传感器的改进，对上述特性加以利用，可以增强信号接受强度，提高测量特高频信号的准确性。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法，用于提高特高频传感器天线所接收的信号强度。

为解决上述技术问题，本说明书实施例是这样实现的：

本说明书实施例提供的一种背反射多频点镂空内置天线，包括：上层辐射贴片、下层辐射贴片以及半刚性射频同轴电缆，所述半刚性射频同轴电缆分别穿过所述上层辐射贴片和所述下层辐射贴片；

所述下层辐射贴片直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频信号，所述上层辐射贴片利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的特高频信号。

可选的，所述下层辐射贴片包括蝶形天线和折合振子天线，所述折合振子天线与所述蝶形天线呈十字交叉状。

可选的，所述折合振子天线包括偶极子天线和金属线，所述金属线与所述偶极子天线平行。

可选的，通过改变所述折合振子天线的馈电臂与非馈电臂的半径，调整所述折合振子天线的输入阻抗，其中，不等宽的折合振子天线的输入阻抗为：

其中，馈电臂的导线半径为a1，非馈电臂的导线半径为a2，馈电臂和非馈电臂之间距离为S，Z_d为具有相同长度的导线制作的半波振子天线的输入阻抗。

可选的，所述的蝶形天线的臂长为2l、张角为θ，所述蝶形天线的谐振长度l和阻抗Z_d的关系由以下公式表示：

式中，λ是天线所对应的低频工作点。

可选的，所述上层辐射贴片包括四分之一单极子天线和复合天线，所述复合天线通过在梯形贴片上引入对数周期型缝隙构成。

可选的，所述上层辐射贴片和所述下层辐射贴片由纯紫铜片切割而成。

可选的，所述背反射多频点镂空内置天线包含多个中心频率。

可选的，所述半刚性射频同轴电缆的长度可以改变。

本说明书实施例提供的一种背反射多频点镂空内置天线的设计方法，所述方法包括：

步骤1：选定背反射多频点镂空内置天线的基本参数，所述基本参数包括辐射贴片材质，贴片厚度，馈电方式以及背反射多频点镂空内置天线内置于盆式绝缘子与内腔壁的初始距离；

步骤2：确定直接耦合局放特高频信号的下辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第一初始参数；

步骤3：确定耦合内腔壁反射的特高频信号的上辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第二初始参数；

步骤4：依据第一初始参数和所述第二初始参数进行仿真计算，考察所述天线的VSWR与回波损耗S11参数结果；

步骤5：优化调整参数、形状组合，使VSWR与S11参数在相应频段内达到最优；

步骤6：依据优化后参数进行背反射多频点镂空内置天线制作。

本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

相对于传统的特高频传感器天线，本发明对由GIS设备内腔壁所反射的特高频信号进行了针对性处理，通过调整其与内腔壁的距离、形状组合，不仅能够直接耦合局放特高频电磁波，而且对反射信号具有良好的耦合效果，增强了信号接收强度，提升了GIS局部放电监测水平。

附图说明

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

图1为背反射多频点镂空内置天线的结构示意图；

图2为背反射多频点镂空内置天线的下层辐射贴片示意图；

图3为背反射多频点镂空内置天线的上层辐射贴片示意图；

图4为背反射多频点镂空内置天线的设计方法的流程图；

图5为0.3GHz～3GHz频率范围内VSWR曲线图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

本发明的目的在于提供一种背反射多频点镂空内置天线及其设计方法，本方法可以提高特高频传感器天线所接收的信号强度，为运行维护人员提供更加精准的测量结果，提高后续处理分析准确度，有助于及时发现分析GIS设备局部放电状况，提高GIS运行维护监测水平，确保设备运行安全稳定性。

该方法首先设计一种背反射多频点镂空内置天线，其没有介质基板，选取多个中心频率，放置在GIS盆式绝缘子内部，利用GIS设备金属外壳反射电磁波的特性，天线不仅能够直接接收局放发出的电磁波信号，也可以接收由腔体内壁反射的电磁波信号。通过适当调节天线形状组合、天线与腔体内壁距离增强信号的接收强度。

所述背反射多频点镂空内置天线针对GIS设备内腔壁反射特高频电磁波的特点而设计，主要包括直接耦合局放特高频信号的辐射贴片与耦合内腔壁反射特高频信号的辐射贴片；所述背反射多频点镂空内置天线包含上层辐射贴片和下层辐射贴片与连接固定辐射贴片的半刚性射频同轴电缆；所述背反射多频点镂空内置天线包含有多个中心频率；所述直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的电磁波的下层辐射贴片由蝶形天线与折合振子天线复合而成；所述利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的电磁波的上层辐射贴片由四分之一单极子天线与在梯形贴片上引入对数周期型缝隙的复合天线所构成；所述半刚性射频同轴电缆可以改变长度，用以调节天线在GIS设备内部与内腔壁之间的距离来改善接收背反射电磁波的效果；所述的辐射贴片可以调整形状组合，提高信号接受强度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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为背反射多频点镂空内置天线的结构示意图，如图1所示，本发明提供的背反射多频点镂空内置天线，包括上层辐射贴片和下层辐射贴片以及半刚性射频同轴电缆，所述直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频电磁波的下层辐射贴片由蝶形天线与折合振子天线复合而成。

图2为背反射多频点镂空内置天线的下层辐射贴片示意图；如图2所示，折合振子天线与蝶形天线呈十字交叉状；

图3为背反射多频点镂空内置天线的上层辐射贴片示意图，如图3所示，所述利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的电磁波的上层辐射贴片由四分之一单极子天线与在梯形贴片上引入对数周期型缝隙的复合天线所构成；所述半刚性射频同轴电缆分别穿过，并连接上层辐射贴片和下层辐射贴片。

所述直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频电磁波的下层辐射贴片由蝶形天线与折合振子天线复合而成，所述的折合振子天线，由偶极子天线与一条与偶极子天线平行的金属线构成，通过改变折合振子天线的馈电臂与非馈电臂的半径，调整折合振子天线的输入阻抗，不等宽折合振子天线的输入阻抗为：

其中，馈电臂和非馈电臂的导线半径分别为a1、a2，馈电臂和非馈电臂之间距离为S，Z_d为具有相同长度的导线制作的半波振子天线的输入阻抗。

所述的蝶形天线的臂长为2l、张角为θ，所述蝶形天线的谐振长度l和阻抗Z_d的关系由以下公式表示：

式中，λ是天线所对应的低频工作点，Z_d是天线所对应的特性阻抗。

所述利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的电磁波的上层辐射贴片由四分之一单极子天线与在梯形贴片上引入对数周期型缝隙的复合天线所构成。所述的四分之一单极子天线长度为空气中波长长度和介质中1/4波长长度的和的一半作为设计的各谐振频率对应的单极子贴片长度的初值，所述的在空气中波长长度为：

λ为波长，c为光速，f为频率；

所述背反射多频点镂空内置天线为内置式天线，相当于天线埋藏于充满SF₆气体的介质中，必须考虑引入介质后的影响，其等效介电常数为：

ε_e＝1+q(ε_r-1) (5)

ε_r为介质板的相对介电常数；q为充填因子，当全部填充在介质内时q＝1，全部填充在空气中q＝0，进而得到埋藏在介质中的电磁波波长为

四分之一单极子天线长度为

所述的对数周期偶极子天线长度，最长振子长度一般选最长波长的四分之一，已知最长振子长度推导出其他振子长度

L_n为第n根振子长度，w_n为第n根振子宽度，d为振子之间相隔距离，τ为天线的方向性系数与对数周期天线比例因子，σ为间隔因子。

所述对数周期偶极子天线顶角大小2a为

所述半刚性射频同轴电缆可以改变长度，进而可以改变背反射多频点镂空内置天线上层辐射贴片与GIS内腔壁的距离，改善耦合被反射电磁波的信号强度。

本发明还提供了一种背反射多频点镂空内置天线的设计方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

步骤401：选定背反射多频点镂空内置天线的基本参数，所述基本参数包括辐射贴片材质，贴片厚度，馈电方式以及背反射多频点镂空内置天线内置于盆式绝缘子与内腔壁的初始距离；

步骤402：确定直接耦合局放特高频信号的下辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第一初始参数；

步骤403：确定耦合内腔壁反射的特高频信号的上辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第二初始参数；所述形状结构参数包括四分之一单极子天线宽度、长度，对数型缝隙的个数、宽度、长度。

步骤404：依据第一初始参数和所述第二初始参数进行仿真计算，考察所述天线的VSWR与回波损耗S11参数结果；

步骤405：优化调整参数、形状组合，使VSWR与S11参数在相应频段内达到最优；

步骤406：依据优化后参数进行背反射多频点镂空内置天线制作。

在步骤401中，所述确定选定背反射多频点镂空内置天线基本参数，主要包括辐射贴片材质，贴片厚度，馈电方式以及背反射多频点镂空内置天线内置于盆式绝缘子与内腔壁的初始距离，具体包括两层辐射贴片均由一定厚度的纯紫铜片切割而成，厚度为0.3mm，馈电方式为同轴馈电。上层辐射贴片距离GIS内腔壁5cm。

在步骤402中，所述确定直接耦合局放特高频信号辐射贴片形状结构参数，不等宽折合振子天线宽边长30mm，宽1.5mm，不等宽折合振子天线窄边长30mm，宽0.5mm；碟形天线张角45°，长臂28mm。

在步骤403中，所述确定耦合内腔壁反射的特高频电磁波的辐射贴片形状结构参数，单极子天线宽0.5mm，长187mm；对数周期型缝隙数n＝18，宽0.2mm。

如图5所示，所述天线在0.3GHz～3GHz频段范围内包含多个中心频点，低频与高频表现性能良好，0.6GHz-0.7GHz驻波比小于8.5，0.8GHz-1GHz驻波比小于5，其余大部分频段内驻波比均小于3，满足设计要求。

本发明提供的背反射多频点镂空内置天线及其设计方法，其中，背反射多频点镂空内置天线由直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频电磁波的下层辐射贴片与利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的电磁波的上层辐射贴片组成。本发明提供的背反射多频点镂空内置天线在传统特高频传感器天线的基础上增加了接收GIS内部反射信号的功能，不仅能够直接耦合局放特高频电磁波，而且对反射信号具有良好的耦合效果，增强了信号接受强度，且由于属于内置式天线，抗干扰能力强、灵敏度高，可以较好地提升检测效果。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，包括：上层辐射贴片、下层辐射贴片以及半刚性射频同轴电缆，所述半刚性射频同轴电缆分别穿过所述上层辐射贴片和所述下层辐射贴片；

所述下层辐射贴片直接耦合GIS设备内部发生局部放电时产生的特高频信号，所述上层辐射贴片利用背反射耦合由GIS内腔壁反射的特高频信号。

2.如权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述下层辐射贴片包括蝶形天线和折合振子天线，所述折合振子天线与所述蝶形天线呈十字交叉状。

3.如权利要求2所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述折合振子天线包括偶极子天线和金属线，所述金属线与所述偶极子天线平行。

4.如权利要求3所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，通过改变所述折合振子天线的馈电臂与非馈电臂的半径，调整所述折合振子天线的输入阻抗，其中，不等宽的折合振子天线的输入阻抗为：

其中，馈电臂的导线半径为a1，非馈电臂的导线半径为a2，馈电臂和非馈电臂之间距离为S，Z_d为具有相同长度的导线制作的半波振子天线的输入阻抗。

5.如权利要求2所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述的蝶形天线的臂长为2l、张角为θ，所述蝶形天线的谐振长度l和阻抗Z_d的关系由以下公式表示：

式中，λ是天线所对应的低频工作点。

6.如权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述上层辐射贴片包括四分之一单极子天线和复合天线，所述复合天线通过在梯形贴片上引入对数周期型缝隙构成。

7.如权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述上层辐射贴片和所述下层辐射贴片由纯紫铜片切割而成。

8.如权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述背反射多频点镂空内置天线包含多个中心频率。

9.如权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线，其特征在于，所述半刚性射频同轴电缆的长度可以改变。

10.根据权利要求1所述的背反射多频点镂空内置天线的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：选定背反射多频点镂空内置天线的基本参数，所述基本参数包括辐射贴片材质，贴片厚度，馈电方式以及背反射多频点镂空内置天线内置于盆式绝缘子与内腔壁的初始距离；

步骤2：确定直接耦合局放特高频信号的下辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第一初始参数；

步骤3：确定耦合内腔壁反射的特高频信号的上辐射贴片的形状结构参数，通过仿真软件优化分析确定第二初始参数；

步骤4：依据第一初始参数和所述第二初始参数进行仿真计算，考察所述天线的VSWR与回波损耗S11参数结果；

步骤5：优化调整参数、形状组合，使VSWR与S11参数在相应频段内达到最优；

步骤6：依据优化后参数进行背反射多频点镂空内置天线制作。

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