CN203300794U

CN203300794U - 无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线

Info

Publication number: CN203300794U
Application number: CN2013202423571U
Authority: CN
Inventors: 欧小波; 柯春俊; 欧阳旭东; 喇元; 王有元; 陈伟根; 杜林�
Original assignee: Chongqing University; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Chongqing University; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-05-07

Abstract

一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，涉及检测超高频电磁信号的阿基米德螺旋天线的结构。本实用新型天线主要包括介质基片、螺旋天线、金属圆盘、同轴电缆接头等，本实用新型天线具有不需要馈电巴伦，剖面高度能达到1cm以下；螺旋天线的制作精度高、性能的稳定性好；检测频带宽达1GHz、增益大于5dB、抗干扰能力强、成本低等特点，能满足电力变压器等电力设备局部放电超高频检测的要求。本实用新型可广泛用作检测电力设备的局部放电信号，特别适用于监测电力变压器的局部放电信号。

Description

无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线

技术领域

本实用新型属于超高频天线技术领域，具体涉及检测超高频电磁信号的阿基米德螺旋天线的结构。

背景技术

近年来，随着电力系统电压等级的不断提高，电力设备绝缘性能的好坏直接关系着电力系统的安全稳定运行。局部放电检测法是用来判断电力设备绝缘性能的有效方法，常用的局部放电检测方法有脉冲电流法、声测法、气相色谱法、超高频(UHF)检测法，其中超高频检测法能够有效避开电晕放电、开关操作等电磁干扰信号，具有较强的抗干扰能力，检测的准确性高等特点，因此近年来在局部放电检测领域得到了广泛应用。超高频检测法使用超高频天线作为传感器，检测电力设备的局部放电信号，用以监测电力设备的绝缘性能。阿基米德螺旋天线因具有低剖面、宽频带、圆极化等众多优异性而成为超高频检测法最常用的传感器之一。

现有的阿基米德螺旋天线，如专利号为ZL201220390641.9的“检测开关柜局部放电的内置小型化超宽带传感器”专利，公开的传感器主要包括金属盒、绝缘介质板、双臂结构的阿基米德螺旋天线、盘旋结构的巴伦、反射腔等。该传感器的主要缺点是：

1、该天线采用双臂阿基米德螺旋结构，属于自互补型双臂平衡馈电天线，因此天线的理论阻抗为180Ω，天线两臂要保证通过幅值相同的电流。为实现天线与50Ω同轴电缆的平衡馈电必需用到馈电巴伦，馈电巴伦的存在增加了天线结构的复杂性，同时增加了天线的剖面高度，不能实现极低剖面。

2、该天线通过采用高介电常数绝缘介质来扩大天线工作带宽，相对于常规绝缘材料高介电常数绝缘介质制作成本和制作难度高。又如专利号为ZL200910053870.4的“无巴伦低剖面平面两臂槽螺旋阵列天线”专利，公开的传感器主要包括陶瓷介质板、环形微带传输线、平面两臂槽螺旋阵列、吸收电阻等，虽然该传感器摆脱了馈电巴伦的束缚但是该传感器仍存在以下缺点：

1、该天线的检测频带较窄仅为1.52～1.62GHz，绝对带宽仅为100MHz，电力变压器等电力设备局部放电的频带为300～3000MHz。因此该天线不能满足电力变压器等电力设备局部放电超高频检测的基本要求，不能有效准确地检测电力变压器等电力设备的局部放电信号，不能有效准确监测电力变压器等电力设备的绝缘性能，无法保证电力系统的安全稳定运行。

2、该天线采用螺旋阵列结构增加了天线的馈电单元，天线馈电难度增加，同时该天线要求各天线阵列具有很高的对称性，天线制作难度增大。

3、该天线采用微带线槽耦合的方式对两臂螺旋阵列单元进行馈电，与接触式馈电方式相比，耦合馈电方式易受外界环境影响，不能保证天线工作的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有阿基米德螺旋天线的不足，提出一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，具有能够摆脱馈电巴伦的束缚，馈电方便、结构简单、制作成本低，能做到极低剖面，工作稳定性高等特点，能有效准确地检测电力变压器等电力设备局部放电信号，确保电力系统的安全稳定运行。

实现本实用新型目的之技术方案是：一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，主要包括介质基片、螺旋天线、金属圆盘、同轴电缆接头等。

所述介质基片的材料采用印刷电路板的基材即FR-4或CEM-3等。由于介质基片的厚度直接影响天线的阻抗特性，为保证天线输入阻抗在300MHz～3000MHz超高频频段（即电力变压器等电力设备的局部放电信号的频段）维持在50Ω，通过天线分析软件的计算确定所述介质基片的厚度为0.5～2mm，当所述介质基片的厚度小于0.5mm时，天线臂的机械强度不能达到要求；当所述介质基片的厚度大于2mm时，天线的输入阻抗特性不能稳定在50Ω。为保证天线结构的对称性同时节约原材料，所述介质基片的形状为圆形。为保证天线的下限截止频率在300～3000MHz超高频频段，根据电流环带理论分析计算确定所述圆形的直径为150～250mm。当所述圆形的直径小于150mm时，天线的下限截止频率超出该超高频频段，无法满足变压器等电力设备局部放电超高频检测的基本要求；当所述圆形的直径大于250mm时，该天线尺寸过大，增加天线介质基片的制作成本，同时增加天线的安装难度。

所述的螺旋天线采用单臂阿基米德螺旋结构。所述螺旋天线的材料为铜，为实现天线接收效率的最大化所述单臂阿基米德螺旋的螺旋圈数为8～20圈。当所述螺旋的圈数小于8圈时，天线接收效率低；当所述螺旋的圈数大于20圈时，天线的接收效率没有提高，浪费材料，所以所述螺旋天线的螺旋圈数为8～20圈。所述螺旋的内外径尺寸直接影响天线的工作带宽，通过矩量法分析计算确定所述螺旋的外径(2R₂)为140～240mm、所述螺旋的内径(2R₁)为15～40mm。当所述螺旋的外径大于或小于140～240mm时，天线的下限截止频率均不能满足超高频天线的频率为300MHz的要求。同理当所述螺旋的内径大于或小于15～40mm时，天线的上限截止频率均不能满足超高频天线的频率为3000MHz的要求。所述螺旋的旋向为左旋或者右旋，旋向为左旋则产生左旋圆极化波，旋向为右旋则产生右旋圆极化波。所述螺旋天线的横截面为矩形，为降低天线损耗电阻的大小，所述矩形的长为2～5mm，高为50～100μm。当所述矩形的长小于2mm时，天线的损耗电阻增大；当所述矩形的长大于5mm时，相邻天线臂之间的耦合影响加剧，影响天线的综合性能。为扩大天线的有效带宽，所述螺旋天线的终端截面逐渐减小至一点。为确保天线能够中心馈电，所述螺旋天线的始端固定连接一块锥形金属片，所述锥形金属片的顶点位于所述介质基片的圆心O处与同轴电缆接头内芯相连。所述锥形金属片的锥角大小影响天线的最大增益和中心工作频率，优化分析以后所述锥形金属片的材质确定为铜，锥角确定为60°～120°，母线长度为9.5～25mm，厚度为50～100μm。当所述锥形金属片的锥角大于或小于60°～120°时，天线的最大增益均迅速下降，中心频率均发生偏移。所述的螺旋天线采用印刷电路工艺蚀刻在所述的介质基片上以实现制作过程的自动化和精密化。

所述金属圆盘的直径为30～90mm、厚度为0.2～2mm，所述金属圆盘的材质为铜或铁或者铝。所述金属圆盘的直径直接影响天线的方向性和回波损耗，天线软件仿真结果表明：所述金属圆盘的直径小于30mm，天线的回波损耗无法满足宽频带天线的要求，所述金属圆盘的直径大于90mm，天线的方向图则发生严重畸变。所述金属圆盘位于所述介质基片的正下方，所述金属圆盘的上表面距所述介质基片的下表面的距离为2～8mm。当所述金属圆盘的上表面距所述介质基片的下表面的距离小于2mm时，天线的输入阻抗不能达到50Ω，不能用50Ω同轴电缆直接馈电；当所述金属圆盘的上表面距所述介质基片的下表面的距离大于8mm时，天线的剖面高度增大，不能满足低剖面的要求。所述金属圆盘的厚度影响天线的机械稳定性，当厚度小于0.2mm时，天线的机械稳定性变差；当厚度大于2mm时，天线的重量变大，实用性降低。

所述同轴电缆接头的型号为市购的SMA—KWE或SMA—KFD6或SMA—KFD7。所述同轴电缆接头的外围固定在所述金属圆盘的下表面的圆心处，所述的同轴电缆接头内芯穿过所述金属圆盘的圆心和所述介质基片的圆心，并与所述的锥形金属片相接。所述螺旋天线的接收信号通过所述的同轴电缆接头传输至同轴信号传输线。

本实用新型采用上述技术方案后，主要有如下效果：

1、本实用新型采用单臂阿基米德螺旋结构，并用一个金属圆盘代替了传统双臂阿基米德螺旋天线的一个天线臂，改变了传统双臂阿基米德螺旋天线的自互补平衡馈电结构，能够实现不平衡馈电。通过优化计算合理确定天线的各项硬件参数能够将天线的输入阻抗稳定在50Ω，实现与50Ω同轴电缆的直接馈电，没有馈电巴伦的约束。因此天线不需要馈电巴伦，天线能做到1cm以下的极低剖面。

2、本实用新型天线采用印刷电路板材料及印刷电路工艺制作，介质基片的材料为常用的印刷电路板基材，取材方便、制作成本低。在介质基片上采用印刷电路工艺增加了天线的制作精度，保证了天线各项性能的稳定，因此本实用新型天线的性能稳定性好。

3、本实用新型天线改变了传统双臂阿基米德螺旋天线的结构，通过有限元法仿真确定了新型结构天线的各项参数，保证了天线的宽频带特性。实测表明本实用新型天线检测频带宽度达1GHz，在有效频带宽度范围内天线增益大于5dB，能满足电力变压器等电力设备局部放电超高频检测的基本要求。

4、本实用新型天线结构简单，采用了直接接触式馈电方式，外界环境变化对天线性能的影响不大，抗干扰能力强，检测准确性高。本实用新型天线能在超高频频段稳定可靠地工作。

本实用新型天线可广泛应用于检测电力设备的局部放电信号，特别是用来检测电力变压器的局部放电信号，能有效准确地监测电力变压器等电力设备的绝缘性能，是确保电力系统安全稳定运行的监测设备。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为实施例1的回波损耗曲线图；

图4为实施例1的归一化方向曲线图；

图5为实施例1的峰值增益曲线图。

图中：1介质基片，2螺旋天线，3金属圆盘，4同轴电缆接头，5锥形金属片，6同轴电缆接头内芯，R1螺旋内半径大小，R2螺旋外半径大小，O介质基片圆心。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本实用新型。

实施例1

如图1～2所示，一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，主要包括介质基片1、螺旋天线2、金属圆盘3、同轴电缆接头4等。

所述介质基片1的材料采用FR-4印刷电路板基材。由于介质基片1的厚度直接影响天线的阻抗特性，为保证天线输入阻抗在300MHz～3000MHz超高频频段（即电力变压器等电力设备的局部放电信号的频段）维持在50Ω，通过天线分析软件的计算确定所述介质基片1的厚度为1mm。为保证天线结构的对称性同时节约原材料，所述介质基片1的形状为圆形，所述圆形的直径为200mm。

所述的螺旋天线2采用单臂阿基米德螺旋结构。所述螺旋天线2的材料为铜，为实现天线接收效率的最大化所述螺旋天线2的螺旋圈数为10圈。所述螺旋的内外径尺寸直接影响天线的工作带宽，通过矩量法分析计算确定所述螺旋的外径(2R₂)为190mm、所述螺旋的内径(2R₁)为30mm。所述螺旋的旋向为右旋，产生右旋圆极化波。所述螺旋天线2的横截面为矩形，为降低天线损耗电阻的大小，所述矩形的长为3.5mm，高为70μm。为扩大天线的有效带宽，所述螺旋天线2的终端截面逐渐减小至一点。为确保天线能够中心馈电，所述螺旋天线2的始端固定连接一块锥形金属片5，所述锥形金属片5的顶点位于所述介质基片1的圆心O处与同轴电缆接头内芯6相连。所述锥形金属片5的锥角大小影响天线的最大增益和中心工作频率，优化分析以后所述锥形金属片5的材质确定为铜，锥角确定为90°，母线长度为18.5mm，厚度为70μm。所述的螺旋天线2采用印刷电路工艺蚀刻在所述的介质基片1上以实现制作过程的自动化和精密化。

所述金属圆盘3的直径为60mm、厚度为1mm，所述金属圆盘3的材质为铝。所述金属圆盘3位于所述介质基片1的正下方，所述金属圆盘3的上表面距所述介质基片1的下表面的距离为5mm。

所述同轴电缆接头4的型号为市购的SMA—KWE。所述同轴电缆接头4的外围固定在所述金属圆盘3的下表面的圆心处，所述的同轴电缆接头内芯6穿过所述金属圆盘3的圆心和所述介质基片1的圆心，并与所述的锥形金属片5相接。所述螺旋天线2的接收信号通过所述的同轴电缆接头4传输至同轴信号传输线。

实施例2

一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，同实施例1，其中：

所述介质基片1的材料采用FR-4印刷电路板基材CEM-3，所述介质基片1的厚度为2mm。所述螺旋天线2的螺旋圈数为15圈，所述螺旋的旋向为左旋，产生左旋圆极化波。所述金属圆盘3的直径为40mm，材质为铜，所述金属圆盘3的上表面距所述介质基片1的下表面的距离为3mm。

实施例3

所述介质基片1的厚度为1.5mm，所述介质基片1的形状为圆形，所述圆形的直径为250mm。所述螺旋天线2的螺旋圈数为20圈，所述螺旋的外径(2R₂)为240mm，所述锥形金属片5的锥角大小为120°。所述金属圆盘3的直径为80mm，材质为铁，所述金属圆盘3的上表面距所述介质基片1的下表面的距离为8mm。

实验结果

采用本实施例1的天线各项参数，通过天线仿真软件对其性能进行分析，仿真结果如图3～图5所示。

其中图3为本实施例1在0.5～3GHz频段的回波损耗图，其中横坐标代表频率变量，单位GHz；纵坐标代表回波损耗S₁₁幅度变量，单位dB。从图中可以看出，天线在1.15GHz～2.4GHz频带范围内回波损耗小于-10dB，绝对带宽大于1GHz，天线具有很宽的频带宽度。

图4为本实施例1在1.2GHz频率上的右旋极化波仿真归一化方向图，从图中可以看出天线的最大辐射方向在天线平面法向方向，天线的主瓣宽度较大。

图5为本实施例1在0.51～3GHz频段的峰值增益曲线图，其中横坐标代表频率变量，单位GHz；纵坐标代表增益，单位dB。如图所示，本实施例1天线在1.15GHz～2.4GHz频带内增益大于5dB。

从仿真结果可以看出本实用新型的无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线能工作在超高频频段，在工作频带内具有比较好的方向性，并且具有很高的峰值增益，能够满足电力变压器等电力设备局部放电超高频检测的基本要求。

Claims

1.一种无巴伦低剖面的单臂阿基米德螺旋天线，主要包括介质基片(1)、螺旋天线(2)、金属圆盘(3)、同轴电缆接头(4)，其特征在于：

所述介质基片(1)的材料采用印刷电路板的基材即FR-4或CEM-3，所述介质基片(1)的厚度为0.5～2mm，形状为圆形，直径为150～250mm；

所述的螺旋天线(2)采用单臂阿基米德螺旋结构，材料为铜，所述螺旋天线(2)的螺旋圈数为8～20圈，所述螺旋天线(2)的外径(R₂)为140～240mm、内径(R₁)为15～40mm，所述螺旋天线(2)的旋向为左旋或者右旋，所述螺旋天线(2)的横截面为矩形，所述矩形的长为2～5mm，高为50～100μm，所述螺旋天线(2)的终端截面逐渐减小至一点，所述螺旋天线(2)的始端固定连接一块锥形金属片(5)，所述锥形金属片(5)的顶点位于所述介质基片(1)的圆心O处与同轴电缆接头内芯(6)相连，所述锥形金属片(5)的锥角大小为60°～120°，母线长度为9.5～25mm，厚度为50～100μm，所述的螺旋天线(2)采用印刷电路工艺蚀刻在所述的介质基片(1)上；

所述金属圆盘(3)的材质为铜或铁或铝，所述金属圆盘(3)的直径为30～90mm、厚度为0.2～2mm，所述金属圆盘(3)位于所述介质基片(1)的正下方，所述金属圆盘(3)的上表面距所述介质基片(1)的下表面的距离为2～8mm；

所述同轴电缆接头(4)的型号为市购的SMA—KWE或SMA—KFD6或SMA—KFD7，所述同轴电缆接头(4)的外围固定在所述金属圆盘(3)的下表面的圆心处，所述的同轴电缆接头内芯(6)穿过所述金属圆盘(3)的圆心和所述介质基片(1)的圆心，并与所述的锥形金属片(5)相接，所述螺旋天线(2)的接收信号通过所述的同轴电缆接头(4)传输至同轴信号传输线。