-
HINTERGRUND
-
Das rasche Wachstum von Patch-Antennen als kompakte, effiziente und kostengünstige Geräte hat den Bedarf an solchen Vermögenswerten drastisch erhöht. Die Herstellung von Patch-Antennen allein erreicht jedoch keine große Bandbreite (bandwidth, BW). Es besteht daher ein Bedarf an einer Antennenvorrichtung mit großer Bandbreite und relativ kleiner Größe zur Detektion von Teilentladung (Partial Discharge, PD) in verschiedenen Mittel- und Hochspannungsgeräten.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die weiter unten in der detaillierten Beschreibung beschrieben sind. Diese Zusammenfassung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, noch soll sie als Hilfe bei der Bestimmung des Umfanges des beanspruchten Gegenstandes verwendet werden.
-
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Antennenvorrichtung und eine Detektionsvorrichtung mit derselben bereit. Insbesondere stellt die vorliegende Offenbarung eine Klasse von Antennen zur Verfügung, die zur PD-Detektion und - Lokalisierung verwendet werden.
-
Gemäß einem nicht einschränkenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine exemplarische Ausführungsform einer Antenne bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst die Antenne einen Grundriss, einen Monopol und eine Mikrostreifenleitung.
-
Gemäß einem anderen nicht einschränkenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine beispielhafte Ausführungsform einer Detektionsvorrichtung bereitgestellt. In einer Ausführungsform umfasst die Detektionsvorrichtung ein Oszilloskop und eine mit dem Oszilloskop verbundene Antenne. Die Antenne umfasst eine Masseebene, einen Monopol und eine Mikrostreifenleitung.
-
Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Ergebnisse nicht beschränkt sind und sich von den in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ergebnissen unterscheiden können. Insoweit gehen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor.
-
Figurenliste
-
Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen Antenne können unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Hierin:
- veranschaulicht 1A eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; veranschaulicht 1B eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und 1C veranschaulicht eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 2A-2B veranschaulichen Reflexionskoeffizienten einer Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und 2C veranschaulicht den Vergleich zwischen einem gemessenen Reflexionskoeffizienten und einem simulierten Reflexionskoeffizienten.
- Die 3A und 3B veranschaulichen Strahlungsmuster einer Antennenvorrichtung bei 1,5 GHz (3A) und 3 GHz (3B) gemäß jeweils einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 4A veranschaulicht ein Eingangsimpedanzdiagramm für eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; 4B veranschaulicht ein Eingangsimpedanzdiagramm für eine Antennenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 5A bis 5F veranschaulichen jeweils Strahlungsmuster einer Antennenvorrichtung bei 0,5 GHz (5A), 1 GHz (5B), 1,5 GHz (5C), 2 GHz (5D), 2,5 GHz (5E) und 3 GHz (5F) entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 6A bis 6F veranschaulichen jeweils Strahlungsmuster einer Antennenvorrichtung bei 0,5 GHz (6A), 1 GHz (6B), 1,5 GHz (6C), 2 GHz (6D), 2,5 GHz (6E) und 3 GHz (6F) entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 7 veranschaulicht ein axiales Verhältnis eines Strahlungsmusters einer Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 8 veranschaulicht ein axiales Verhältnis eines Strahlungsmusters einer Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
-
Der Leser wird die vorstehenden Einzelheiten sowie sonstige verstehen, wenn er die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter, nicht einschränkender Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung betrachtet.
-
DETAILBESCHREIBUNG
-
Die Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen einige, jedoch nicht alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Technik dargestellt sind. Tatsächlich kann die vorliegende Technologie in vielen verschiedenen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ausgelegt sein.
-
Ebenso werden sich Modifikationen und andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der hierin beschriebenen Antennenvorrichtung und/oder der Detektiervorrichtung, einer Fachperson auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, mit dem Vorteil der Lehren, die in den vorstehenden Beschreibungen und den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, erschließen. Es versteht sich daher, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen in den Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschlossen sein sollen. Obwohl hierin spezifische Begriffe verwendet werden, werden solche Begriffe nur in einem generischen und deskriptiven Sinn verwendet und nicht zu Zwecken der Einschränkung.
-
Im Allgemeinen kann die Terminologie zumindest teilweise aus der Verwendung im Kontext verstanden werden. Zum Beispiel können Begriffe, wie „und“, „oder“ oder „und/oder“, wie hierin verwendet, eine Vielzahl von Bedeutungen umfassen, die zumindest teilweise von dem Kontext abhängen können, in dem solche Begriffe verwendet werden. Typischerweise soll „oder“, wenn es zur Zuordnung zu einer Liste verwendet wird, wie „A, B oder C“ sowohl A, B und C, hier im einschließlichen Sinne verwendet, als auch A, B oder C, hier im ausschließlichen Sinne verwendet, bedeuten. Darüber hinaus kann der Begriff „eine oder mehrere“ oder „mindestens eine“ wie hierin verwendet, abhängig zumindest teilweise von Kontext, verwendet werden, um jedes Merkmal, jede Struktur oder Charakteristik in einem singulären Sinn zu beschreiben, oder verwendet werden, um Kombinationen von Merkmalen, Strukturen oder Charakteristika in einem vielfachen Sinn zu beschreiben. Ebenso können Begriffe wie „ein/e/s“ oder „der/die/das“, wiederum so verstanden werden, dass sie eine singuläre Nutzung oder eine Mehrfachnutzung zumindest teilweise abhängig vom Kontext zu vermitteln. Ferner kann der Begriff „basierend“ oder „bestimmt/ermittelt durch“ als nicht unbedingt dazu bestimmt verstanden werden, einen ausschließlichen Satz von Faktoren zu vermitteln, sondern das Vorhandensein weiterer, nicht unbedingt ausdrücklich beschriebener Faktoren zumindest teilweise abhängig vom Kontext zuzulassen.
-
Soweit nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einer Fachperson auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, allgemein verstanden werden. Obwohl alle Verfahren und Materialien, die denen hierin beschriebenen ähnlich oder äquivalent sind, bei der Durchführung oder Prüfung der vorliegenden Technologie verwendet werden können, werden die bevorzugten Verfahren und Materialien hierin beschrieben.
-
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht einschränkend sein. Die Begriffe „umfassen“, „umfasst“, „umfassend“, „beinhalten“, „beinhaltet“, „beinhaltend“, „einschließlich“ oder „aufweisend“ und dergleichen in der vorliegenden Beschreibung und Ansprüche werden in einem einschließenden Sinn verwendet, d. h., um das Vorhandensein der angegebenen Merkmale anzugeben, jedoch nicht das Vorhandensein zusätzlicher oder weiterer Merkmale ausschließen.
-
Die vorliegende Technik betrifft im Allgemeinen einen Antennensensor und/oder eine Detektionsvorrichtung, welche den Antennensensor aufweist. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine Klasse von Antennen zur Verfügung, die zur Detektion und Lokalisierung von Teilentladung (PD) und zur Reduzierung der Größe von Ultrahochfrequenz (UHF)-Antennen zur Teilentladungsdetektion verwendet werden.
-
Bei der Detektion des Partial Discharge (PD)-Phänomens werden Hochfrequenz (RF)-Anwendungen eingesetzt. Ultra-High Frequency (UHF) hat wegen der hohen Zuverlässigkeit und Effektivität bei der Detektion von PD-Aktivitäten große Aufmerksamkeit erlangt. Beispielsweise wird die Ultra-High Frequency (UHF) -Technologie zur Detektion von PD in Mittel- und Hochspannungsgeräten eingesetzt, indem die emittierten elektromagnetischen (EM) Wellen im UHF-Bereich gesammelt werden.
-
Dennoch werden UWB-Antennen benötigt, um solche Wellen zu detektieren, da UHF im Bereich von 300MHz bis 3GHz rangiert. Der untere Frequenzbereich (300 MHz) ist relativ gering, sodass die Größe von Antennen, die in solchen Frequenzen arbeiten, relativ groß sein kann.
-
Die Detektion der Teilentladung (PD) in Mittel- und Hochspannungsgeräten mit Ultra-Hochfrequenz (UHF)-Technologie hat sich durch viele oben diskutierte Vorteile schnell entwickelt. Obwohl die interne PD-Detektion (wie bei Transformatoren und intern angeschlossenen Sensoren in gasisolierten Schaltanlagen) mit den UHF-Verfahren eine höhere Störsicherheit gegenüber den externen Gegenstücken aufweist, ist die Entwicklung externer Sensoren zur PD-Detektion wegen der Schwierigkeiten bei der Wartung und Installation interner Sensoren, insbesondere bei alten Hochspannungsgeräten wie GIS, attraktiver.
-
Die vorliegende Erfindung sieht beispielsweise Antennensensoren/-vorrichtungen vor, die zur externen Erfassung mit geringerem Aufwand im Vergleich zu den herkömmlichen Horn- und/oder Log-Periodenantennen eingesetzt werden können.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Antennenvorrichtung 100 vorgesehen. Wie in 1A beinhaltet die Antennenvorrichtung 100 einen Monopol 102 und eine Masseebene 104 und eine Mikrostreifenleitung 106. Der Pol 102 kann eine elliptische Form, eine Ringform und/oder eine kreisförmige Form aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Masseebene 104 kann eine rechteckige Form, eine quadratische Form, eine Dreiecksform und/oder eine konische Form aufweisen, muss jedoch nicht darauf beschränkt sein. Die konische Form der Massefläche 104 trägt dazu bei, eine leicht variierende Eingangsimpedanz zu erhalten und die Bandbreite zu erhöhen. Die Mikrostreifenleitung 106 kann eine konische Form haben, die sich von dem Pol 102 zu einem Speisepunkt oder einem Anschluss erstreckt, um die Eingangsimpedanz zu steuern. Die Mikrostreifenleitung 106 kann an der Einspeisestelle einen Widerstandswert von 50 Ohm aufweisen, muss jedoch nicht darauf beschränkt sein. Die Größe der Antennenvorrichtung 100 kann 350 x 272 2 betragen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Antennenvorrichtung 100 kann jede geeignete Größe haben. Die Antennenvorrichtung 100 ist eine durch einen koplanaren Wellenleiter (CPW) gespeiste ringförmige Monopolantenne.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Antennenvorrichtung 200 bereitgestellt. Wie in 1B veranschaulicht, beinhaltet die Antennenvorrichtung 200 einen Pol 202 und eine Masseebene 204 und eine Mikrostreifenleitung 206. Der Pol 202 hat eine reduzierte Größe, beispielsweise eine halbe Größe. Der Pol 202 hat eine halbe Ellipsenform. Der Pol 202 kann eine andere geeignete Form haben, wie beispielsweise eine elliptische Form, eine Ringform und/oder eine kreisförmige Form. Die Masseebene 204 hat eine Dreiecksform. Die Masseebene 204 kann eine andere geeignete Form haben, wie beispielsweise eine rechteckige Form, eine quadratische Form und/oder eine konische Form. Die Mikrostreifenleitung 206 hat von der einen Seite her eine konische und von der anderen Seite her gerade Form. Die Mikrostreifenleitung 206 kann jedoch auch in jeder anderen geeigneten Form ausgebildet sein. Die Größe der Antennenvorrichtung 200 ist im Vergleich zur Antennenvorrichtung 100 um etwa 50 % stark reduziert. Beispielsweise beträgt die Größe der Antennenvorrichtung 200 187 × 272 2. Die Antennenvorrichtung 200 kann jedoch jede geeignete Größe aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Antennenvorrichtung 300 bereitgestellt. Wie in 1C veranschaulicht, beinhaltet die Antennenvorrichtung 300 einen Pol 302 und eine konische Masseebene 304 und eine Mikrostreifenleitung 306. Die Antennenvorrichtung 300 hat eine ähnliche Konfiguration wie die Antennenvorrichtung 200, veranschaulicht in 1B, mit Ausnahme der Form der Mikrostreifenleitung 306, und einer leichten Erweiterung des Substrats, das zum Aufbau der Antenne verwendet wird. Die Mikrostreifenleitung 306 hat zum Beispiel eine zum Pol 302 hin konische Form. Die sich verjüngende Form der Mikrostreifenleitung 306 hilft, die Eingangsimpedanz zu steuern und ihre Leistungsfähigkeit im Vergleich zur Antennenvorrichtung 200 zu verbessern.
-
2A bis 2C veranschaulichen den erlangten Reflexionskoeffizienten für die Antennenvorrichtung 100, die Antennenvorrichtung 200 bzw. die Antennenvorrichtung 300. Wie in 2A veranschaulicht, zeigt die Antennenvorrichtung 100 eine überlegene Leistung über den größten Teil des Frequenzbereichs hinweg. Das Antennengerät 200 mit reduzierter Größe, wie dargestellt in 2B arbeitet nachrangig, da das Frequenzband bei etwa 0,9 GHz beginnt. Es weist auch einige Frequenzbandkerben bei unterschiedlichen Frequenzen auf. Dennoch kann durch den Ersatz der Mikrostreifenleitung durch die konische Form die Leistung verbessert werden, da die konische Leitung eine breitere Leitungsbreite ermöglicht, die die Eingangsimpedanz vom Einspeisepunkt her verringert. Dies wird durch das Reflexionskoeffizienten-Diagramm, gezeigt in 2C, sowohl in Simulations- als auch in Versuchsergebnissen bestätigt.
-
Die 3A bis 3B zeigen das Strahlungsmuster einer Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Antennenvorrichtung weist eine verkleinerte Antennenvorrichtung 300 auf. 3A veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 1,5 GHz und 3B veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 3 GHz. Wie in 3A und 3B veranschaulicht, empfängt die Antennenvorrichtung hauptsächlich aus einer einzigen Richtung mit hohen Frequenzen kommende Wellen, was dazu beiträgt, das Rauschen, das aus der anderen Richtung kommt, zu reduzieren, wenn es zur externen Erfassung, beispielsweise in GIS, verwendet wird. Dennoch verhält sich die Antennenvorrichtung bei niedrigen Frequenzen wie eine Dipolantenne, beispielsweise ein donutförmiges Strahlungsmuster.
-
Die 4A bis 4B zeigen die Eingangsimpedanzdiagramme der Antennenvorrichtung 100 bzw. der Antennenvorrichtung 300. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eingangsimpedanz der Antennenvorrichtung 300 mit reduzierter Größe ähnliche Werte bezüglich der Antennenvorrichtung 100 beibehält.
-
Die 5A bis 5F zeigen das Strahlungsmuster der Antennenvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 5A veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 0,5 GHz; 5B veranschaulicht den Strahlungsverlauf bei 1 GHz; 5C veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 1,5 GHz; 5D zeigt das Strahlungsmuster bei 2 GHz; 5E veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 2,5 GHz; FIG. In 5F ist das Strahlungsmuster bei 3 GHz dargestellt.
-
Die 6A bis 6F zeigen das Strahlungsmuster der Antennenvorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 6A veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 0,5 GHz; 6B veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 1 GHz; 6C veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 1,5 GHz; 6D veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 2 GHz; 6E veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 2,5 GHz. 6F veranschaulicht das Strahlungsmuster bei 3 GHz; FIG.
-
7 veranschaulicht ein axiales Verhältnis eines Strahlungsmusters einer Antennenvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 8 veranschaulicht ein axiales Verhältnis des Strahlungsmusters der Antennenvorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform, wie oben beschrieben.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine PD-Erkennungsvorrichtung vorgesehen. Die Detektionsvorrichtung umfasst ein Oszilloskop und eine mit dem Oszilloskop verbundene Antennenvorrichtung. Die Antennenvorrichtung kann ähnlich ausgebildet sein wie eine Ausführungsform, wie sie oben beschrieben wurde. Die Antennenvorrichtung kann beispielsweise eine ähnliche Konfiguration wie die Antennenvorrichtung 100, wie in 1A dargestellt, und die Antennenvorrichtung 300, wie in 1C dargestellt, aufweisen.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Antennensensor vorgesehen, der zur externen Erfassung mit geringerem Aufwand im Vergleich zu den herkömmlichen Horn- und/oder Log-Periodenantennen eingesetzt werden kann. Der Antennensensor enthält eine kleinere durch einen koplanaren Wellenleiter (CPW)-gespeiste ringförmige Monopolantenne. Das Multiphysik-Finite-Elemente-Analysepaket von COMSOL-Software wurde verwendet, um die Abmessungen des Sensors zu bauen und zu optimieren, um ihn im UHF-Frequenzband (0,3 GHz-3 GHz) einsetzbar zu machen. Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass der Antennensensor bei Frequenzen zwischen 0,5 GHz und 2,6 GHz arbeiten kann, wobei ein guter Gewinn den größten Teil des UHF-Frequenzbandes abdeckt.
-
Ein Vorteil des Antennensensors ist beispielsweise die Verwendung der CPW-gespeisten Monopolantennen bei der Detektion von PD in GIS-Geräten. Zur Verbesserung der Impedanzanpassung über einen großen Frequenzbereich wird der elliptische Monopol mit der 50 Ohm-Koaxialleitung durch eine konische Mikrostreifenleitung verbunden. Zu den erhaltenen Ergebnissen gehören beispielsweise die Eingangsimpedanz und der Reflexionskoeffizient. Der Antennensensor weist bei hohen Frequenzen eine schmale Strahlbreite auf, die das aus anderen Richtungen kommende Rauschen reduziert. Dies verbessert die Detektionsrichtung des Sensors. Außerdem kann durch die Ausnutzung der Symmetrie der implementierten Sensoren die Länge des Antennensensors weitgehend reduziert werden, ohne die Leistung der Antenne stark zu beeinträchtigen.
-
Ein Vergleich zwischen den ausführungskonformen Antennenvorrichtungen der vorliegenden Offenbarung und herkömmlichen Antennen ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1: Vergleich zwischen Antennen in dieser Arbeit und konventionellen Antennen
| Antennentyp | Horn | Log- Periodisch | Schleife | Dipol | Spirale | Moore-Fraktal | Mikrostreifenleiter | Diese Arbeit |
| Bandbreite | Sehr groß | Sehr groß | Moderat | Sehr klein | Groß | Mäßig bis groß | Sehr klein | Groß |
| Gewinn | Sehr groß | Groß | Klein | Klein | Moderat | Groß | Moderat | Moderat |
| Größe | Sehr groß | Extrem groß | Sehr klein | Sehr klein | Moderat | Klein | Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz | Moderat |
| Preis | Sehr aufwendig | Sehr aufwendig | Sehr günstig | Sehr günstig | Günstig | Günstig | Günstig | Günstig |
| Polarisation | Linear | Linear | Linear | Linear | Kreisförmig | Kreisförmig | Linear | Linear |
| Herstellungsfreundlichkeit | Sehr schwierig | Sehr schwierig | Leicht | Leicht | Leicht | Leicht | Leicht | Leicht |
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Antennenvorrichtungen planare Typen und direkt in Leiterplatten (PCBs) gedruckt. Antennen auf Leiterplattenbasis haben viele Vorteile, wie z. B. einfache Herstellung, geringes Gewicht und geringe Kosten. Die Antennenvorrichtung kann mit einer quasi konstanten Impedanz über ein sehr großes Frequenzband arbeiten. Diese Eigenschaft ist bei der PD-Detektion wichtig, da die erzeugten Impulse im Falle von PD eine kurze Zeitbereichsdarstellung aufweisen. Die Antennenvorrichtungen decken somit ein breites Frequenzspektrum von einigen GHz ab. Mit anderen Worten weisen solche Impulse aufgrund der schnellen Änderungen in kurzer Zeit hohe Energieanteile bei hohen Frequenzanteilen auf. Die Antennenvorrichtung mit geeigneter Größe ist zur Abdeckung niederfrequenter Komponenten ausgelegt. So ist die Antennenvorrichtung beispielsweise zur externen PD-Detektion in GIS geeignet. Dies könnte beispielsweise dadurch geschehen, dass die Antennenvorrichtung in der Nähe einer der Öffnungen angeordnet wird, die an der äußeren Umhüllung der GIS angebracht sind, um ein Entweichen der elektromagnetischen Wellen aus der Umhüllung zu ermöglichen. Die Anordnung solcher Sensoren von außen ist ähnlich der Anordnung von Hornantennen, die zur externen PD-Erkennung in der Industrie verwendet werden.
-
Ein weiterer Vorteil der Antennenvorrichtung besteht darin, dass die Massenproduktion der Antenne wesentlich billiger ist als die Herstellung von herkömmlichen Horn- und Log-Periodantennen für die PD-Erkennung in der Industrie. Die ausführungskonforme Antennenvorrichtung weist eine wünschenswerte Verstärkung, eine lineare Polarisation und eine hohe Richtwirkung auf, insbesondere dann, wenn die Größe der Antennenvorrichtung verringert wird. Die Verstärkung ist ein wichtiger Aspekt, da die aufgrund von PD gewonnenen Signale meist schwach sind. Tatsächlich könnte nur ein kleiner Teil der erzeugten Signale aus dem Gehäuse entweichen, wodurch die gesammelten elektromagnetischen Wellen noch schwächer würden. Die Antennenvorrichtung hat somit einen wünschenswerten Gewinn, um dieses Problem zu überwinden. Obwohl die Polarisation der abgestrahlten Wellen durch PD sehr schwer vorhersagbar ist, sollten die aus den Öffnungen austretenden Wellen für das elektromagnetische Feld linear polarisiert sein, um die Grenzbedingungen zu erfüllen. Die Verwendung der Antennenvorrichtung mit linearer Polarisation für die externe Abtastung würde also die unnötigen Verluste, die mit der Polarisationsdifferenz zwischen den Wellen und der Antennenvorrichtung verbunden sind, vermeiden.
-
Hinsichtlich der Richtwirkung der Antennenvorrichtung haben Simulationsergebnisse gezeigt, dass die Antennenvorrichtung 100 bei voller Größe, wie in 1A gezeigt, hochgradig direktional in zwei Richtungen ist, z. B., wenn der Pol volle Größe hat. Dies könnte dazu beitragen, das Rauschen, das aus anderen Richtungen kommt, zu reduzieren, indem die Antennenvorrichtung so platziert wird, dass die maximale Richtverstärkung in Richtung der Apertur platziert wird. Durch die Verkürzung des Sensors kann das Rauschen weiter reduziert werden. Die Längenreduktion nutzt die Struktursymmetrie der Antenne entlang einer Achse. Dies schafft eine reduzierte Größe der Antennenvorrichtung 300, gezeigt wie in 1C, in einer einzigen Richtung, z. B. wenn der Pol eine halbe Größe hat.
-
Mit Hilfe des Finite-Elemente-Multiphysik-Pakets von COMSOL wurde die Geometrie der Antennenvorrichtung entschieden, mit dem Ziel, dass die Antennenvorrichtung das UHF-Frequenzband möglichst weitgehend abdeckt. Darüber hinaus wird die Ausnutzung der Größenverringerung der Antennenvorrichtung zur Reduzierung des von der Umgebung kommenden Rauschens für die PD-Detektion und -Messung genutzt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Antenne durch Ausnutzung des symmetrischen Aufbaus der Antenne verkleinert worden, ohne dass ein Großteil ihrer Betriebsleistung verloren geht.
-
Die Ergebnisse des Finite-Element-Multi-Physik-Pakets von COMSOL zeigen, dass die Antennenvorrichtungen Breitband-Eigenschaften und einen guten Gewinn über den größten Teil des Frequenzbereichs hinweg aufweisen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Antennenmuster der Antennenvorrichtung direkt in ein Leiterplattensubstrat gedruckt. Als Basis für die Antennenvorrichtung wird beispielsweise ein PCB-Substrat verwendet. Ein Port des CPW ist über einen BNC-Anschluss und eine Koaxialleitung mit einem Oszilloskop verbunden. Zur Simulation der Antennenvorrichtung wird das Multi-Physik-Paket der COMSOL-Software verwendet. Beispielsweise werden die S11-Parameter und die Eingangsimpedanz der Antennenvorrichtung simuliert, und die Ergebnisse zeigen, dass die Antennenvorrichtung über den größten Teil des UHF-Frequenzbereichs von der PD-Quelle erzeugte Signale ordnungsgemäß empfangen kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Antennenvorrichtung vorgesehen. Die Antennenvorrichtung weist einen elliptischen/ringförmigen Pol, eine verjüngte Masseebene und eine verjüngte Mikrostreifenleitung auf. Die den elliptischen/ringförmigen Pol mit einer Einspeisestelle verbindende Mikrostreifenleitung verbessert die Impedanzanpassung der Antennenvorrichtung über eine größere Bandbreite. Die verjüngte Masseebene wird auch zur Erhöhung der Betriebsbandbreite verwendet. Ausnutzung des symmetrischen Aufbaus der Antennenvorrichtung, um die Größe zu reduzieren, ohne dass ein Großteil der Bandbreite des Betriebs verloren geht.
-
Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen der hierin beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind. Derartige Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Sinn und Umfang des vorliegenden Gegenstandes abzuweichen und seine beabsichtigten Vorteile zu verringern. Derartige Änderungen und Modifikationen sollen daher von den anhängenden Ansprüchen umfasst sein.
