CN113782961B - 一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例公开了一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法。所述定向小型化多频点外置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天线导线层，天线导线层包括耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线与耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元；宽频复合导线包括平面单级子导线与蝶形辐射单元，蝶形辐射单元与平面单级子导线无缝连接，蝶形缝隙辐射单元由蝶形辐射单元引入LS Peano型缝隙构成。本发明提供的安装于GIS盆式绝缘子浇注孔处，检测GIS局部放电特高频信号的定向小型化多频点外置天线，天线特性好、体积小、频带宽，提高了GIS局部放电的检测效果。
Description
技术领域
本申请涉及局部放电特高频检测用微型天线技术领域，尤其涉及一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法。
背景技术
现代电力系统中的电气设备在生产、制造、安装、运行过程中存在各种绝缘缺陷，导致发生不同程度的局部电场畸变，继而引发电气设备发生局部放电现象。局部放电会对电气设备造成不良影响，加速电气设备的老化，影响电气设备工作的稳定性，因此对于局部放电的检测尤为重要。对电气设备进行局部放电试验，不仅能反映电气设备绝缘劣化的严重程度，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障发生的原因，及时作出防范措施，从而保障电气设备的正常运行，减少经济损失，保障人民生命财产安全。
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，可激发频率达数GHz以上的电磁波信号。目前，国内外学者针对浇注孔外置式特高频天线传感器的研究主要集中在耦合浇注孔长边泄露的电磁波信号，但是浇注孔短边泄露的电磁波信号同样重要，因此，开展可定向耦合GIS盆式绝缘子浇注孔处长边与短边电磁波信号的定向天线具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法，天线特性好、体积小、频带宽，提高了电气设备局部放电的检测效果。
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定向小型化多频点外置天线，所述定向小型化多频点外置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天线导线层，所述天线导线层包括耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线与耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元；所述宽频复合导线包括平面单级子导线与蝶形辐射单元，所述蝶形辐射单元与所述平面单级子导线无缝连接，所述蝶形缝隙辐射单元由蝶形辐射单元引入LS Peano型缝隙构成。
可选的，所述定向小型化多频点外置天线的中心馈电点处设有贯穿接地板、介质基板和天线导线层的通孔，用于连接同轴射频接头。
可选的，所述平面单级子导线，其谐振频率f0采用以下公式确定：
式中，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f0为平面单级子天线的工作频率，Llosf为平面单级子天线的长度。
可选的，所述蝶形辐射单元的特性阻抗Z0与半顶角θ0、臂长l0之间的关系为：
Z0＝120*lncot(θ0/2) (2)
可选的，所述蝶形辐射单元的谐振频率fr与蝶形辐射单元结构尺寸之间的关系为：
式中：λ为所述蝶形辐射单元输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长，fr为所述蝶形辐射单元的谐振频率，h为所述蝶形辐射单元的介质基板的厚度，εre为介质基板的相对介电常数，Xe为等效介电常数，c为真空中光速，H为所述蝶形辐射单元的纵向总长度，w为所述蝶形辐射单元底边长度，w1为所述蝶形辐射单元左右对称部分交点的连线长度，wi为所述蝶形辐射单元双臂中点连线长度。
可选的，所述蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，LS Peano型缝隙的长度为：
式中，Lsolt为LS Peano型缝隙长度，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f1为蝶形缝隙辐射单元的工作频率。
可选的，所述宽频复合导线的检测带宽为0.8GHz～3GHz，所述蝶形缝隙辐射单元的检测带宽为10GHz～10.5GHz。
本说明书实施例提供的一种应用于权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：确定定向小型化多频点外置天线的基本结构参数；
步骤2：确定耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线的基本结构参数，所述宽频复合导线包括蝶形辐射单元与平面单级子导线复合，通过仿真优化，确定宽频复合导线的第一初始结构参数；
步骤3：确定耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元的基本结构参数，蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，改变蝶形辐射单元表面的电流流经路径，调节电荷分布区间，激起多次模，通过仿真优化，确定蝶形缝隙辐射单元的第二初始结构参数；
步骤4：根据所述第一初始结构参数和所述第二初始结构参数，建立包含宽频复合导线与蝶形缝隙辐射单元复合结构的定向小型化多频点外置天线模型，计算其驻波比与回波损耗；
步骤5：基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数；
步骤6：根据所述最佳参数制作定向小型化多频点外置天线。
可选的，所述基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数，具体包括：
对所述定向小型化多频点外置天线模型进行优化设计，使得在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz的频率范围内，所述天线的驻波比VSWR的值与回波损耗S11的值达到最小，确定最佳参数。
可选的，所述基本结构参数包括馈电方式、所述天线导线层的材质、所述接地板的材质、所述介质基板的材质和所述介质基板的厚度。
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：
本发明将定向小型化多频点外置天线用作信号传感器，该天线在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz频率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GIS局部放电特高频检测对传感器的设计要求。
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为本发明实施例中定向小型化多频点外置天线的结构示意图；
图2为本发明实施例中定向小型化多频点外置天线的设计方法的流程示意图；
图3为本发明实施例0.1～12GHz频率范围内回波损耗的变化曲线图。
附图标记：1、天线导线层；2、接地层；3、介质基板；1-1、耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线；1-2、耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元。
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。
本发明的目的是提供一种定向小型化多频点外置天线及其设计方法，所述定向小型化多频点外置天线包括：耦合浇注孔孔隙长边与短边泄露电磁波信号频率的天线单元；天线特性好、体积小、频带宽，提高了电气设备局部放电的检测效果。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本发明实施例中定向小型化多频点外置天线的结构示意图，如图1所示，本发明提供的定向小型化多频点外置天线，包括介质基板3和分别敷设于介质基板3两侧的接地板2和天线导线层1，所述天线导线层1包括耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线1-1与耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元1-2；所述耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线1-1包括平面单级子导线与蝶形辐射单元复合，所述蝶形辐射单元与平面单级子导线无缝连接，所述耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元由蝶形辐射单元1-2引入LS Peano型缝隙构成，蝶形缝隙辐射单元引入2对尺寸建增的LS Peano型缝隙。
所述多频点宽频天线的中心馈电点处设有贯穿接地板2、介质基板3和天线导线层1的通孔，用于连接同轴射频接头。
所述宽频复合导线的检测带宽为0.8GHz～3GHz，所述蝶形缝隙辐射单元的检测带宽为10GHz～10.5GHz。
所述平面单级子导线，其工作频率由其长度决定，所述平面单级子导线，其谐振频率f0采用以下公式确定：
式中，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f0为平面单级子天线的工作频率，Llosf为平面单级子天线的长度。
所述蝶形辐射单元的工作频带由蝶形辐射单元的半顶角θ0和臂长l0决定，θ0增大会使特性阻抗减小，但θ0太大不利于天线小型化，工程上一般选择根据θ0在40～80°之间，根据经验公式，所述蝶形辐射单元的特性阻抗Z0与半顶角θ0、臂长l0之间的关系为：
Z0＝120*lncot(θ0/2) (2)
所述蝶形辐射单元的谐振频率fr与蝶形辐射单元结构尺寸之间的关系为：
式中：λ为所述蝶形辐射单元输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长，fr为所述蝶形辐射单元的谐振频率，h为所述蝶形辐射单元的介质基板的厚度，εre为介质基板的相对介电常数，Xe为等效介电常数，c为真空中光速，H为所述蝶形辐射单元的纵向总长度，w为所述蝶形辐射单元底边长度，w1为所述蝶形辐射单元左右对称部分交点的连线长度，wi为所述蝶形辐射单元双臂中点连线长度。
所述耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元包括蝶形辐射单元与LS Peano型缝隙构成，蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，改变蝶形辐射单元表面的电流流经路径，调节电荷分布区间，激起多次模，LS Peano型缝隙的长度为：
式中，Lsolt为LS Peano型缝隙长度，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f1为蝶形缝隙辐射单元的工作频率。
本发明还提供了定向小型化多频点外置天线的设计方法，应用于上述的定向小型化多频点外置天线，如图2所示，该设计方法包括以下步骤：
步骤1：确定定向小型化多频点外置天线的基本结构参数；
步骤2：确定耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线的基本结构参数，所述宽频复合导线包括蝶形辐射单元与平面单级子导线复合，通过仿真优化，确定宽频复合导线的第一初始结构参数；
步骤3：确定耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元的基本结构参数，蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，改变蝶形辐射单元表面的电流流经路径，调节电荷分布区间，激起多次模，通过仿真优化，确定蝶形缝隙辐射单元的第二初始结构参数；
步骤4：根据所述第一初始结构参数和所述第二初始结构参数，建立包含宽频复合导线与蝶形缝隙辐射单元复合结构的定向小型化多频点外置天线模型，计算其驻波比与回波损耗；
步骤5：基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数；
步骤6：根据所述最佳参数制作定向小型化多频点外置天线。
其中，所述基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数，具体可以包括：
对所述定向小型化多频点外置天线模型进行优化设计，使得在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz的频率范围内，所述天线的驻波比VSWR的值与回波损耗S11的值达到最小，确定最佳参数。
其中，步骤1中，所述基本结构参数包括馈电方式、所述天线导线层的材质、所述接地板的材质、所述介质基板的材质和所述介质基板的厚度。
具体的，馈电方式采用指数渐变微带巴伦进行同轴线馈电，所述天线导线层和接地板材质为铜，所述介质基板的材质为FR-4，其介电常数为4.4，厚度为1.6mm。
在步骤2中，确定所述耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线的螺旋导线长度Llosf为160.183mm，蝶形辐射单元导线长L0为28.652mm，蝶形辐射单元半顶角θ0为82.66°；在步骤3中，耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元的LSPeano缝隙尺寸Lslot为80.052mm，蝶形辐射单元导线长L1为26.743mm，蝶形辐射单元半顶角θ1为15.09°。所述定向小型化多频点外置天线的参数如表1所示。
表1
如图3所示，所述天线在0.1GHz～12GHz范围内有多个检测频带，并且每个谐振点处的带宽都比较宽。如图3所示，该天线在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz范围内具有很好的信号接收特性，大部分谐振频点处的回波损耗S11小于-10dB，满足天线设计的要求。所述天线具有球状的方向性，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。该天线在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz范围内回波损耗的S11小于-10dB，能较好地检测电力设备局部放电信号，此时可以确定最佳参数。
本发明提供的定向小型化多频点外置天线及其设计方法，其中，定向小型化多频点外置天线由耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线与耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元复合构成；本发明提供的电线作为检测电力设备局部放电信号的特高频传感器，在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz范围内具备多个检测频带，具有检测频带宽、体积小等优点，应用于电力设备局部放电检测时，具有很好的检测效果和经济特性。
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)
1.一种定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述定向小型化多频点外置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天线导线层，所述天线导线层包括耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线与耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元；所述宽频复合导线包括平面单级子导线与蝶形辐射单元，所述平面单级子导线与蝶形缝隙辐射单元左右对称部分的交点连接并位于交点的两侧，所述蝶形辐射单元与所述平面单级子导线无缝连接，所述蝶形缝隙辐射单元由蝶形辐射单元引入LSPeano型缝隙构成。
2.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述定向小型化多频点外置天线的中心馈电点处设有贯穿接地板、介质基板和天线导线层的通孔，用于连接同轴射频接头。
3.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述平面单级子导线，其谐振频率f0采用以下公式确定：
式中，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f0为平面单级子天线的工作频率，Llosf为平面单级子天线的长度。
4.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述蝶形辐射单元的特性阻抗Z0与半顶角θ0、臂长l0之间的关系为：
Z0＝120*lncot(θ0/2) (2)
5.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述蝶形辐射单元的谐振频率fr与蝶形辐射单元结构尺寸之间的关系为：
式中：λ为所述蝶形辐射单元输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长，fr为所述蝶形辐射单元的谐振频率，h为所述蝶形辐射单元的介质基板的厚度，εre为介质基板相对介电常数，Xe为等效介电常数，c为真空中光速，H为所述蝶形辐射单元的纵向总长度，w为所述蝶形辐射单元底边长度，w1为所述蝶形辐射单元与所述平面单级子导线连接部分交点的连线长度，wi为所述蝶形辐射单元双臂中点连线长度。
6.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，LS Peano型缝隙的长度为：
式中，Lsolt为LS Peano型缝隙长度，c为光速，εre为介质基板的相对介电常数，f1为蝶形缝隙辐射单元的工作频率。
7.根据权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线，其特征在于，所述宽频复合导线的检测带宽为0.8GHz～3GHz，所述蝶形缝隙辐射单元的检测带宽为10GHz～10.5GHz。
8.一种应用于权利要求1所述的定向小型化多频点外置天线的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：确定定向小型化多频点外置天线的基本结构参数；
步骤2：确定耦合浇注孔孔隙长边泄露电磁波信号的宽频复合导线的基本结构参数，所述宽频复合导线包括蝶形辐射单元与平面单级子导线复合，通过仿真优化，确定宽频复合导线的第一初始结构参数；
步骤3：确定耦合浇注孔孔隙短边泄露电磁波信号的蝶形缝隙辐射单元的基本结构参数，蝶形缝隙辐射单元内引入2对LS Peano型缝隙，改变蝶形辐射单元表面的电流流经路径，调节电荷分布区间，激起多次模，通过仿真优化，确定蝶形缝隙辐射单元的第二初始结构参数；
步骤4：根据所述第一初始结构参数和所述第二初始结构参数，建立包含宽频复合导线与蝶形缝隙辐射单元复合结构的定向小型化多频点外置天线模型，计算其驻波比与回波损耗；
步骤5：基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数；
步骤6：根据所述最佳参数制作定向小型化多频点外置天线。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述基于所述驻波比和所述回波损耗优化调整确定最佳参数，具体包括：
对所述定向小型化多频点外置天线模型进行优化设计，使得在0.8GHz～3GHz、10GHz～10.5GHz的频率范围内，所述天线的驻波比VSWR的值与回波损耗S11的值达到最小，确定最佳参数。
10.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述基本结构参数包括馈电方式、所述天线导线层的材质、所述接地板的材质、所述介质基板的材质和所述介质基板的厚度。
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