CN117421862A - 一种特高频传感器仿真天线的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了本发明提出了一种特高频传感器仿真天线的构建方法，其包括步骤：建立与实体特高频传感器天线对应的仿真天线的几何模型；构建仿真天线的集总参数元件的等效电路模型，所述集总参数元件与所述几何模型连接；获取所述几何模型的几何参数；基于所述实体特高频传感器天线的输入阻抗参数确定所述等效电路模型的初始参数；采用仿真局部放电源发出与实际局部放电信号对应的仿真局部放电脉冲电流，将仿真天线得到仿真信号与实体特高频传感器天线测得的实测信号进行比对，并根据比对结果对所述等效电路模型进行调参，以使仿真信号与实测信号吻合。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿真方法，尤其涉及一种信号传感器的仿真方法。
背景技术
局部放电造成的损害逐渐积累会使电气设备绝缘性能下降并引发故障，因此局部放电的检测对监测电气设备绝缘状态有着重要作用。
局部放电激发出的特高频信号频率极高，并能够辐射到电气设备外，因而特高频法在局部放电的检测中得到了广泛的应用。
然而，现有的局部放电检测多采用实体特高频传感器天线检测局部放电信号，由于物理条件的限制，这多少会限制局部放电检测法的研究、使用和发展。
因此，期望提供一种仿真的特高频传感器天线。特高频传感器天线的设计要求为高增益，宽频带，小尺寸。然而，由于实际采用的特高频传感器天线采用的并非理想材料，加上天线的形状尺寸限制等因素，接收到的实测信号与仿真结果间存在很大的误差。
基于此，期望能提供一种仿真精度高的特高频传感器仿真天线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特高频传感器仿真天线的构建方法，其基于实体特高频传感器天线测得的实测特高频信号，以及实体特高频传感器天线的实际的工作原理及参数，建立几何模型，并将其与时域下的等效电路的集总参数电路元件进行组合，得到了特高频传感器天线的仿真模型，从而提高了仿真精度。
根据上述发明目的，本发明提出了一种特高频传感器仿真天线的构建方法，其包括步骤：
建立与实体特高频传感器天线对应的仿真天线的几何模型；
构建仿真天线的集总参数元件的等效电路模型，所述集总参数元件与所述几何模型连接；
获取所述几何模型的几何参数；基于所述实体特高频传感器天线的输入阻抗参数确定所述等效电路模型的初始参数；
采用仿真局部放电源发出与实际局部放电信号对应的仿真局部放电脉冲电流，将仿真天线得到仿真信号与实体特高频传感器天线测得的实测信号进行比对，并根据比对结果对所述等效电路模型进行调参，以使仿真信号与实测信号吻合。
在本发明中，首先根据实体特高频传感器天线建立仿真天线的几何模型，接着确定几何模型的几何参数和等效电路模型的初始参数，再将测得的脉冲电流信号输入仿真局部放电源，具体微调等效电路模型的电路参数，最后获得仿真天线。
进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，所述实体特高频传感器天线为偶极子天线。
更进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，所述偶极子天线为蝶形天线。
进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，与所述蝶形天线对应的几何模型的几何参数包括：蝶形天线的臂长，蝶形天线的底边长度。
进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，构建集总参数元件的等效电路模型具体包括：采用电抗元件与LRC并联谐振电路串联形成所述等效电路模型。
更进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，所述LRC并联谐振电路包括彼此并联连接的第一电容、第一电感和第一电阻。
进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，计算获得仿真天线几何模型的几何参数具体包括：根据局部放电辐射的特高频电磁波的频率选取天线的谐振频率，基于所述谐振频率计算所需几何参数。
进一步地，在本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法中，根据实体特高频传感器天线测得的电压值与脉冲电流之间的比值得到所述实体特高频传感器天线输入阻抗参数。
本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法具有下述有益效果：
本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法基于实体特高频传感器天线测得的实测特高频信号，以及实体特高频传感器天线的实际的工作原理及参数，建立几何模型，并将其与时域下的等效电路的集总参数元件电路进行组合，得到了特高频传感器天线的仿真模型，从而提高了仿真精度。
附图说明
图1为本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下的步骤流程图。
图2示例性地显示了本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下建立的几何模型的俯视图。
图3示例性地显示了本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下建立的几何模型的侧视图。
图4显示了本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下构建的仿真天线的集总参数元件的等效电路模型。
图5显示了在具体的验证过程中获得的实际局部放电的实际电流信号。
图6显示了在具体的验证过程中获得的实际局部放电的实际特高频信号。
图7显示了实际局部放电的实际特高频信号与仿真天线获得的仿真信号的对比。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法做进一步的解释和说明，但是该详细说明不构成对本发明的限制。
图1为本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下的步骤流程图。
如图1所示，在该实施方式中，特高频传感器仿真天线的构建方法可以包括步骤：
100：在电磁波仿真软件中建立与实体特高频传感器天线对应的仿真天线的几何模型。
在一些更具体的实施方式中，可以采用美国Remcom公司的XFDTD7.3.0软件，建立几何模型。
在一些更具体的实施方式中，针对蝶形天线可以建立如图2和图3所示的几何模型。其中，可以将蝶形天线的材料设为理想铜导体，将其视为电容与电感的串联，蝶形天线的两臂之间用集总参数元件连接，蝶形天线的贴片天线下方为有厚度的介质板。
200：构建仿真天线的集总参数元件的等效电路模型。
在一些实施方式中，可以采用电抗元件与LRC并联谐振电路串联形成等效电路模型。
图4显示了本发明所述的特高频传感器仿真天线的构建方法在一种实施方式下构建的仿真天线的集总参数元件的等效电路模型。
如图4所示的，在一个更具体的实施方式中，集总参数元件可以包括电抗元件X，第一电容C1、第一电感L1和第一电阻R1四个元件。其中，第一电容C1、第一电感L1和第一电阻R1彼此并联连接构成LRC并联谐振电路，图4中的R表示天线的负载电阻。
300：获取所述几何模型的几何参数；以及基于所述实体特高频传感器天线的输入阻抗参数确定所述等效电路模型的初始参数。
在一些实施方式中，可以根据局部放电辐射出的特高频电磁波的频率确定蝶形天线的谐振频率fr，它与蝶形天线尺寸的关系如下式(1)：
其中，K，Δl，Xe均为谐振频率fr公式中的中间参数，其采用公式(2)中的三个式子被表达，c为真空中的光速，w为蝶形天线的底边长度，其单位参量为mm，H为蝶形天线的总臂长，其单位参量为mm，h为蝶形天线介质层的厚度，其单位参量为mm，其为设定值，εr表示介质板相对介电常数。
根据上述公式(1)和(2)，就可以计算得出蝶形天线的几何参数H、w。
此外，还需要基于实体特高频传感器天线的输入阻抗参数确定等效电路模型的初始参数。
在一些实施方式中，可以根据实体特高频传感器天线测得的电压值与脉冲电流之间的比值得到实体特高频传感器天线的输入阻抗参数。该输入阻抗参数包括实部和虚部，其中实部函数Re[Z(ω)]和虚部函数Im[Z(ω)]如下，其中ω为输入阻抗参数的自变量，即天线接收频率。
在一些实施方式中，电抗元件X的值是可以设定的，例如在一个具体的实例中，可以根据经验设为50nH；R表示天线的负载电阻，在一个具体的实例中可以设定为0，根据上述公式(3)就可以计算获得等效电路模型的初始参数第一电容C1、第一电感L1和第一电阻R1。
400：采用仿真局部放电源发出与实际局部放电信号对应的仿真局部放电脉冲电流，将仿真天线得到仿真信号与实体特高频传感器天线测得的实测信号进行比对，并根据比对结果对所述等效电路模型进行调参，以使仿真信号与实测信号吻合。
在一些实施方式中，在XFDTD7.3.0软件中建立仿真局部放电源，使得仿真局部放电源发出与实际局部放电信号对应的仿真局部放电脉冲，将仿真天线得到仿真信号与实体特高频传感器天线测得的实测信号进行比对，根据比对结果，在XFDTD7.3.0软件中微调集总参数元件的第一电感L1的电感值与第一电容C1的电容值，使仿真结果与实验结果符合，最终得到确定参数的等效电路模型，进而得到仿真天线。
为了验证本发明的实施效果，利用局部放电时采集到的脉冲电流和特高频信号进行验证：
在高压测试大厅内，进行局部放电数据的采集工作。将实体特高频传感器放置于距离放电点30cm处，加压使得3mm绝缘板间发生击穿，采用电流传感器收集脉冲电流，特高频传感器收集特高频信号。实际测得的电流信号如图5所示，实际测得的特高频信号如6所示。
基于实际的特高频传感器天线构建的仿真天线的总臂长H为16mm，底边长w为4mm，介质层厚度h为1mm。接着通过实际特高频传感器天线的输入阻抗参数曲线得到仿真天线的等效电路模型，再将如图5所示的实际电流信号作为激励，仿真得到天线的响应，并对比实际信号进行微调，最终确定集总元件的第一电感L1和第一电容C1以及第一电阻R1的值分别为120nH，1100pF，50Ω。
图7对比显示了实际局部放电的实际特高频信号与仿真天线获得的仿真信号。从图7中可以看到，在相同的激励波形下，实际测得的特高频信号与仿真结果的波形变化趋势吻合，接收到的特高频信号出现振荡并衰减，相同时间尺度下，两者的振荡周期基本一致，相对高度方面，仅在最高峰衰减后第一个峰处有较大差异。这充分说明了采用本发明所述的方法构建的仿真天线具有较高的仿真精度。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，包括步骤：
建立与实体特高频传感器天线对应的仿真天线的几何模型；
构建仿真天线的集总参数元件的等效电路模型，所述集总参数元件与所述几何模型连接；
获取所述几何模型的几何参数；基于所述实体特高频传感器天线的输入阻抗参数确定所述等效电路模型的初始参数；
采用仿真局部放电源发出与实际局部放电信号对应的仿真局部放电脉冲电流，将仿真天线得到仿真信号与实体特高频传感器天线测得的实测信号进行比对，并根据比对结果对所述等效电路模型进行调参，以使仿真信号与实测信号吻合。
2.如权利要求1所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，所述实体特高频传感器天线为偶极子天线。
3.如权利要求2所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，所述偶极子天线为蝶形天线。
4.如权利要求3所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，与所述蝶形天线对应的几何模型的几何参数包括：蝶形天线的臂长，蝶形天线的底边长度。
5.如权利要求1所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，构建集总参数元件的等效电路模型具体包括：采用电抗元件与LRC并联谐振电路串联形成所述等效电路模型。
6.如权利要求5所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，所述LRC并联谐振电路包括彼此并联连接的第一电容、第一电感和第一电阻。
7.如权利要求1所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，计算获得仿真天线几何模型的几何参数具体包括：根据局部放电辐射的特高频电磁波的频率选取天线的谐振频率，基于谐振频率计算所需几何参数。
8.如权利要求1所述的特高频传感器仿真天线的构建方法，其特征在于，根据实体特高频传感器天线测得的电压值与脉冲电流之间的比值得到所述实体特高频传感器天线输入阻抗参数。
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