CN205488533U - 一种用于gis局部放电检测的小型部分球面螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，包括反射铝板，及设置在反射铝板上的圆盘，在圆盘上设有平顶介质球壳，在平顶介质球壳外周壁上设有呈阿基米德螺旋线分布的双臂片状螺旋天线，沿平顶介质球壳顶部至反射铝板底部贯穿有馈电巴伦，双臂片状螺旋天线的中心与所述馈电巴伦的顶部相连。该装置解决了现有GIS天线传感器技术中频带窄、尺寸大的问题，同时在一定程度上保证天线宽频带、圆极化、波束宽的特点同时，降低剖面；添加介质球壳腔体作为天线加载，达到天线小型化效果，相比较于相同半径的半球面螺旋天线，部分球面螺旋天线具有剖面低的特点。
Description
技术领域
本实用新型属于局部放电在线监测技术领域，涉及一种小型部分球面螺旋天线，特别涉及一种可用于GIS局部放电在线监测的小型部分球面螺旋天线。
背景技术
局部放电是反映GIS绝缘性能的重要参数之一，是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因。所以检测GIS局部放电能发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其发展。局部放电的检测方法有许多种，因抗干扰能力强、灵敏度高等优点，目前超高频法(UHF法)检测GIS局部放电在电力系统中获得广泛应用，是近年来局部放电检测的研究热点，其中天线是超高频检测系统中的关键组件之一。
超高频天线根据安装方式可分为内置式和外置式两种。内置天线可获得较高的灵敏度，但制造安装的要求较高。并且国内的生产厂家对产品都不预装天线。如果对现有GIS中加装内置天线，则可能导致其内部电场畸变或者影响密封系统，这时只能选择外置天线。相对于内置天线，外置天线的灵敏度要差一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性较高，因而也得到了较为广泛的应用。
超高频法所检测的信号频率范围为300MHz～3GHz，频率高而且带宽广，因此对天线的要求很高，天线的好坏直接影响局部放电信号的获取。检测局部放电用外置天线要求有较宽的频带，驻波比小于2，合适的增益以及形状。
已有研究成果中的如屏蔽式环天线驻波比小于2带宽为340～440MHz；TEM喇叭天线在780～900MHz，1.25～1.65GHz，2.15～2.30GHz等频段有理想的驻波比；微带天线体积小，重量轻，能与载体共形，能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于实现线极化和圆极化等优点。但对于GIS局部放电在线监测来讲，微带天线的带宽较窄，驻波比小于2的绝对带宽为340～440MHz；平面等角螺旋天线和阿基米德螺旋天线具有宽频带、圆极化、波束宽、效率高等优点。对于用作检测GIS局部放电的天线，它增益较高，灵敏度也高，缺点是尺寸大。对于频率下限为300MHz时直径约为40cm,且不易于固定安装。
实用新型内容
针对以上背景技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于提供一种应用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，解决了现有GIS天线传感器技术中频带窄、尺寸大的问题，同时相比较于相同半径的半球面螺旋天线，部分球面螺旋天线具有剖面低的特点。
本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的：
作为本实用新型的一种实施方式，一种用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，包括反射铝板，以及设置在反射铝板上的圆盘，在圆盘上设有平顶介质球壳，在平顶介质球壳外周壁上设有呈阿基米德螺旋线分布的双臂片状螺旋天线，沿平顶介质球壳顶部至反射铝板底部贯穿有馈电巴伦，双臂片状螺旋天线的中心与所述馈电巴伦的顶部相连。
优选地，所述平顶介质球壳的顶部为平面，自中部至底部为半球面，双臂片状螺旋天线沿平顶介质球壳顶部至底部环绕覆盖。
优选地，所述平顶介质球壳顶端、圆盘中心和反射铝板中心均开有矩形孔，用于贯穿和固定馈电巴伦。
优选地，所述平顶介质球壳和圆盘的材质均为聚四氟乙烯材料。
优选地，所述馈电巴伦为宽带微带巴伦，包括基板，以及设在基板正反面的上条微带线和下条微带线，上条微带线和下条微带线为自上至下渐扩形结构，上条微带线的底部宽度小于下条微带线的宽度。
优选地，所述双臂片状螺旋天线为阿基米德螺旋天线，天线双臂起始端分别连接在上条微带线和下条微带线上。
优选地，所述上条微带线和下条微带线末端连接SMA偏脚射频座，上条微带线连接SMA偏脚射频座中心引脚，下条微带线连接SMA偏脚射频座接地引脚。
优选地，所述双臂片状螺旋天线端部呈渐缩形；双臂片状螺旋天线以金属化学蚀刻工艺，在平顶介质球壳上蚀刻制成。
与现有技术相比，本实用新型采用将半球面螺旋天线底部削去一部分，顶部转为平面螺旋天线的方法，在一定程度上保证天线宽频带、圆极化、波束宽的特点同时，降低剖面；同时添加介质球壳腔体作为天线加载，达到天线小型化效果，其直径小于一张A4纸的宽。是一种小型化的球面螺旋天线。本实用新型在300MHz～3GHz频带内驻波比小于5dB，480MHz～1.8GHz内驻波比小于3，600MHz～1.25GHz内驻波比小于2dB；在300MHz～3GHz频段内回波损耗小于-12.5dB，匹配良好。增益大于-4dB，最大增益4.5dB，波束宽度65°，基本可满足局部放电超高频信号检测要求。
附图说明
图1是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线结构剖面图；
图2是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线馈电巴伦结构图；
图3是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线臂结构图；
图4是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线臂俯视图；
图5是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线在300MHz～3GHz频段内的驻波比(VSWR)；
图6是本实用新型所述小型部分球面螺旋天线在300MHz～3GHz频段内的回波损耗(S11)。
图中：1、双臂片状螺旋天线；2、平顶介质球壳；3、圆盘；4、反射铝板；5、馈电巴伦；6、上条微带线；7、下条微带线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不作为对本实用新型做任何限制的依据。
如图1所示，本实用新型用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，包括反射铝板4，以及设置在反射铝板4上的圆盘3，在圆盘3上设有平顶介质球壳2，在平顶介质球壳2外周壁上设有呈阿基米德螺旋线分布的双臂片状螺旋天线1，沿平顶介质球壳2顶部至反射铝板4底部贯穿有馈电巴伦5，双臂片状螺旋天线1的中心与所述馈电巴伦5的顶部相连。
如图3、图4所示，双臂片状螺旋天线1为阿基米德螺旋天线，组成一条臂的两条线方程分别为另一条臂由前一条臂旋转180°得到。一种建模的简便方法是可在AutoCAD中画平面阿基米德螺旋线，闭合成面，再由平面阿基米德螺旋天线拉伸成的柱状实体再与上述平顶介质球壳的外表面相交得到。
天线臂宽10mm，起始螺旋角度为零度，每圈螺旋半径增加30mm，顶部平面部分半径39mm，天线螺旋约1.3圈，主要接收高频段辐射1.5-3GHz；与介质球壳外壁共形部分约螺旋1.8圈，主要接收低频段辐射300MHz-1.5GHz。
天线端部内圈向前适当延伸变形，呈渐缩形，便于馈电。双臂片状螺旋天线，材质为铜片。设计加工时可在AutoCAD中由平面双臂片状阿基米德螺旋天线拉伸成的柱状螺旋实体再与上述平顶介质球壳的外表面相交得到。片状天线以金属化学蚀刻工艺，在半径160mm平顶铜球壳上蚀刻制成。
平顶介质球壳2为以(0,0,0)点为圆心的半径160mm、壁厚度为6mm的空心球壳的立体球壳的一部分；为介质背腔，聚四氟乙烯介质做平顶部分球壳状介质腔加载，起支撑作用同时减小天线尺寸；参数描述为，取如上球壳Z轴方向上130mm<z<155mm之间的部分；该部分下边缘外半径约为93mm，顶部平面部分半径约为39mm，整个球壁最薄的地方在顶部中心处，厚度为1mm。
支撑圆盘，介质球壳与反射铝板间以半径93mm、厚度为5mm的聚四氟乙烯圆盘支撑。铝制金属反射板，半径110mm，厚度为1mm，增强天线轴向方向上的增益。
平顶介质球壳2的下边缘与反射铝板4间距5mm，以介质圆盘3在中间支撑。平顶介质球壳2和圆盘3，材质均为聚四氟乙烯材料。介质球壳2和圆盘3、双臂片状螺旋天线1、反射铝板4之间以某种高强度有机胶相粘连，保证结构相对稳定。平顶介质球壳2顶端、圆盘3、反射铝板4均开适当大小的矩形孔，用于馈电巴伦5进入和固定。
如图2所示，馈电巴伦5为宽带微带巴伦，包括基板，以及设在基板正反面的上条微带线6和下条微带线7，上条微带线6的宽度小于下条微带线7的宽度。上条微带线6和下条微带线7分别与双臂片状螺旋天线1的两臂顶端的始端焊接。其末端可焊接50ΩSMA偏脚射频座，以便接50Ω同轴电缆输出信号；上条微带线6连接SMA中心引脚，下条微带线7连接SMA接地引脚。渐变宽带微带馈电巴伦，将天线端155欧姆阻抗与50欧姆同轴传输线进行匹配，其作用是完成天线端155欧姆阻抗和50ΩSMA偏脚射频座间阻抗匹配和平衡-不平衡变换。
馈电巴伦5的基板材料为Rogers 4350材料，介电常数εr＝3.6；上下两条微带线以印刷电路板工艺在馈电巴伦基板上覆铜实现。
馈电巴伦5由Advanced Design System或Txline等软件仿真或计算得到具体参数。
用电磁仿真软件ANSYS HFSS对所述天线仿真，对天线半径、螺旋圈数、天线臂宽、顶端平面部分半径，匹配阻抗等进行优化，可的在上述所述的结构下，如图5、6所示，天线在目标频带即300MHz～3GHz之间回波损耗小于-11.4dB，450MHz～2.1GHz内驻波比小于3dB，580MHz～1.4GHz内驻波比小于2.1dB，波束宽度65°，基本可满足局部放电监测要求。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：包括反射铝板(4)，及设置在反射铝板(4)上的圆盘(3)，在圆盘(3)上设有平顶介质球壳(2)，在平顶介质球壳(2)外周壁上设有呈阿基米德螺旋线分布的双臂片状螺旋天线(1)，沿平顶介质球壳(2)顶部至反射铝板(4)底部贯穿有馈电巴伦(5)，双臂片状螺旋天线(1)的中心与所述馈电巴伦(5)的顶部相连。
2.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述平顶介质球壳(2)的顶部为平面，自中部至底部为半球面，双臂片状螺旋天线(1)沿平顶介质球壳(2)顶部至底部环绕覆盖。
3.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述平顶介质球壳(2)的顶端、圆盘(3)中心和反射铝板(4)中心均开有矩形孔，用于贯穿和固定馈电巴伦(5)。
4.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述平顶介质球壳(2)和圆盘(3)的材质均为聚四氟乙烯材料。
5.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述馈电巴伦(5)为宽带微带巴伦，包括基板，以及设在基板正反面的上条微带线(6)和下条微带线(7)，上条微带线(6)和下条微带线(7)为自上至下指数渐扩形结构，上条微带线(6)的底部宽度小于下条微带线(7)的宽度。
6.根据权利要求1或5所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述双臂片状螺旋天线(1)为阿基米德螺旋天线，天线双臂起始端分别连接在上条微带线(6)和下条微带线(7)上。
7.根据权利要求5所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述上条微带线(6)和下条微带线(7)末端连接SMA偏脚射频座，上条微带线(6)连接SMA偏脚射频座中心引脚，下条微带线(7)连接SMA偏脚射频座接地引脚。
8.根据权利要求1所述的用于GIS局部放电检测的小型部分球面螺旋天线，其特征在于：所述双臂片状螺旋天线(1)端部呈渐缩形；双臂片状螺旋天线以金属化学蚀刻工艺，在平顶铜球壳(2)上蚀刻制成。
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