【局部放電UHF寬頻帶微帶天線傳感器研制分析6000字】

局部放電UHF寬頻帶微帶天線傳感器研制分析目錄TOC\o"1-3"\h\u18261局部放電UHF寬頻帶微帶天線傳感器研制分析 1130601.1傳統的平面單級子天線 166111.2外置式復合寬帶UHF天線的仿真設計與實測研究 257631.2.1外置式復合寬頻帶UHF天線結構 2166541.2.2外置式復合寬頻帶UHF天線的仿真分析 49701.2.3外置式復合寬頻帶UHF天線的實測研究 7184121.3內置式復合鏤空多頻點UHF天線的仿真設計與實測研究 972211.1.1內置式復合鏤空多頻點UHF天線結構 9113251.1.2內置式復合鏤空多頻點UHF天線的仿真分析 9186031.4.3內置式復合鏤空多頻點UHF天線的實測研究 12針對目前用于GIS局部放電UHF天線傳感器存在的檢測頻帶窄、檢測頻段單一、影響GIS氣密性、結構尺寸過大等問題，結合第2章介紹的微帶天線輻射原理、分析方法以及設計過程中需要考慮的相關參數，本文綜合1/4單級子天線和蝶形天線的優點設計了安裝于GIS澆注孔處的外置式復合寬頻帶UHF天線與安裝于GIS手孔處的內置式復合鏤空多頻點UHF天線，兩者兼具有結構尺寸小，檢測頻帶寬、安裝方便等特點，在實驗室搭建實驗平臺對其耦合信號能力進行驗證，實驗結果滿足GIS局部放電UHF信號檢測要求，為后續GIS局部放電故障在線監測系統開發提供了信號接收單元。1.1傳統的平面單級子天線平面單級子天線由于其本身具有結構簡單、易共形、成本低、易復合、輻射特性好等特點而被廣泛應用于人們的日常生活之中[39]。一般而言，大多數平面單級子天線可以看做是六種基本結構的變形或者優化[40]，天線的工作原理和基本性能也與這些基本振子天線相似：①三角形單級子、②矩形單級子、③梯形單級子、④圓形/橢圓形單級子、⑤分形單級子、⑥算法單級子。對于平面單級子天線，其低頻段的情況是對其尺寸大小起關鍵性因素，平面單級子天線低頻段某個諧振頻率處的尺寸值可以用圓柱體近似估算法計算，以矩形單級子天線為例，其圓柱體近似估算法[41]的相關理論如下，圖3-1為基于圓柱體近似估算法的矩形單級子天線模型示意圖。(a)圓柱體近似估算模型(b)矩形單級子天線結構示意圖圖3-1基于圓柱體近似估算法的矩形單級天線等效模型示意圖圓柱體高度如式（3-1）所示。(3-1)矩形單級子天線低頻點諧振頻率如式（3-2）所示。(3-2)(3-3)(3-4)式中，fL為矩形單級子天線低頻點諧振頻率，單位為GHz，L為等效圓柱體的高度，單位為mm，r為等效圓柱體的底面圓半徑，單位為mm。考慮饋入間隙g對矩形單級子天線低頻點頻率fL的影響，其低頻電諧振頻率公式修正如式（3-5）所示。(3-5)1.2外置式復合寬帶UHF天線的仿真設計與實測研究1.2.1外置式復合寬頻帶UHF天線結構外置式復合寬頻帶UHF天線由一定厚度的介質基板以及其兩側的天線輻射貼片和接底貼片構成，天線輻射貼片由為1/4波長單級子天線、蝶形天線、高頻單級子天線以及為微帶饋線結構復合而成，接底層采用接地貼片采用未完全覆蓋形式，以降低其品質因數[42]，拓寬檢測頻帶，其整體結構尺寸較小，放置于盆式絕緣子澆注孔外側，采用同軸饋電方式連接外置式復合寬帶UHF天線的天線輻射貼片和接地貼片，將從盆式絕緣子澆注孔處泄露出的UHF信號進行接收、轉換并輸出為電壓電流信號，為后續對GIS內部局部放電嚴重程度判斷提供重要依據。1/4波長單級子天線在低頻時結構尺寸較大，為了使復合鏤空天線具有較小的結構尺寸，在1/4波長單級子天線的低頻段進行螺旋化曲折處理，實現天線結構小型化，在1/4波長單級子天線的終端進行蝶形輻射天線加載，改善1/4波長單級子天線工作頻帶窄的缺點，從而改善其低頻段的輻射特性[43]，拓寬外置式復合寬頻帶UHF天線的檢測帶寬，在外置式復合寬頻帶UHF天線輻射層的微帶饋電結構部分復合高頻單級子天線，使外置式復合寬頻帶UHF天線具有接收高頻的電磁波信號的能力，改善其高頻段的接收特性。1）1/4波長單級子天線設計傳統的1/4波長單級子天線工作于空氣中，是一種引入接地面，天線長度減少一半的平面半波偶極子天線，由于其具有結構簡單、制作容易、易與微波電路集成等優點，在多頻點GIS局部放電UHF天線設計中得到了廣泛的應用[44]。工作于盆式絕緣子內部的1/4波長單級子天線在設計時還應當考慮電磁波信號在盆式絕緣子內部的波長改變的因素，其工作頻率可根據下式得到：（3-6）c為光速，εr為盆式絕緣子內部絕緣介質的相對介電常數，f0為1/4平面單級子天線的工作頻率。2）蝶形天線設計蝶形天線[45]的工作頻帶由其半頂角θ0和臂長l0決定，隨著蝶形天線半頂角θ0增大，其特性阻抗減小，根據經驗公式，蝶形輻射單元特性阻抗Z0與半頂角θ0、臂長l0之間的關系為：（3-7）（3-8）蝶形天線的諧振頻率fr與蝶形天線結構尺寸之間的關系為：（3-9）（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）式中：λ為所述蝶形天線輸入阻抗帶寬的低端頻率所對應的波長，fr為所述蝶形輻射單元的諧振頻率，△L為所述蝶形輻射單元的介質板的厚度，Xr為相對介電常數，c為真空中光速，H為所述蝶形輻射單元的縱向總長度，w為所述蝶形輻射單元底邊長度，w1為所述蝶形輻射單元左右對稱部分交點的連線長度。1.2.2外置式復合寬頻帶UHF天線的仿真分析本文所設計外置式復合寬頻帶UHF天線的三個預設工作頻段的中心頻率分別為300MHz、1GHz、2GHz和3GHz，結合上述1/4波長單級子天線與蝶形天線的設計方法，擬定的外置式復合寬頻帶UHF天線結構尺寸如下：螺旋低頻單極子天線，總線長l1=220mm，矩形中頻單極子天線，總線長l2=130mm，底部高頻單極子天線，l3=12mm、l4=13mm、l5=16mm，蝶形天線的張角半頂角θ0=60°，臂長l0=10mm；單級子天線寬度，w1=1mm；單級子天線微帶饋線，總線長l6=11.5mm，寬度w2=5mm；F4B介質基板厚度4mm，接地輻射貼片寬度，a=35mm，接地輻射貼片長度，b=43mm。本文設計的外置式復合寬頻帶UHF天線仿真模型如圖3-2所示。圖3-2外置式復合寬頻帶UHF天線仿真結構示意圖利用天線仿真軟件HFSS對所設計的外置式復合寬頻帶UHF天線參數進行優化本文根據仿真優化，最終確定的外置式復合寬頻帶UHF天線的結構尺寸如表3-1所示。表3-1外置式復合寬頻帶UHF天線優化后結構參數參數符號參數值l1248.2mml2114.6mml010.4mmθ060.2°w11mml322.4mml411.6mml514.3mml619.2mmw25mmh14mma34.6mmb42.5mm根據優化后的結構參數，制作出的內置式復合鏤空多頻點UHF天線的實物如圖3-4所示，內置式復合鏤空多頻點UHF天線整體結構尺寸為90mm*35mm*4mm，天線輻射層與接地層開有直徑為0.6mm的通孔，采用同軸饋電方式連接天線輻射層與接地層，用以將耦合到的UHF信號接收、轉換并輸出。圖3-4外置式復合寬頻帶UHF天線實物圖圖3-5是采用天線仿真軟件HFSS得到的外置式復合寬頻帶UHF天線駐波比曲線圖（掃頻范圍設置為300MHz~3000MHz）。從圖中可以看出，該內置式復合鏤空多頻點UHF天線在0.55GHz-1.02GHz、1.1GHz-1.35GHz及1.38GHz-3GHz頻帶范圍內，駐波比2,0.3GHz-0.55GHz、1.02-1.1GHz及1.35-1.38GHz頻帶范圍內，駐波比小于2.4。可以看出，外置式復合寬頻帶UHF天線具有良好的信號接收能力，500MHz頻段以下的駐波比特性較差。圖3-5外置式復合寬頻帶UHF天線的仿真駐波比圖3-6為外置式復合寬頻帶UHF天線在1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz4個頻點處的E面和H面的輻射方向圖，采用極坐標的形式來進行繪制。從圖中可知，在此頻帶范圍內，外置式復合寬頻帶UHF天線E面方向始終中近似成“8”字形，H面方向圖在1.5GHz以下近似為圓形，隨著頻率升高，其H面方向圖逐漸邊尖銳，在水平方向上具有方向性。f=1GHzf=1.5GHzf=2GHzf=2.5GHz圖3-6外置式復合寬頻帶UHF天線方向圖內置式復合鏤空多頻點UHF天線的增益仿真結果如表3-2所示，在300MHz時，其增益為-24.2dB，在3GHz時，其增益為6.7dB，隨著電磁波頻率的升高，其增益總體呈逐漸增大的趨勢，且一般而言，天線的增益越高，其靈敏度越高，越有利于局部放電UHF微弱信號的檢測。表3-2內置式復合鏤空多頻點UHF天線仿真增益測試記錄表頻率/GHz0.30.511.522.53增益/dB-24.2-14.52.31.14.25.36.71.2.3外置式復合寬頻帶UHF天線的實測研究在實驗室內，采用AV36580矢量網絡分析儀對內置式復合鏤空多頻點UHF天線的駐波比進行實際測量，設置AV36580矢量網絡分析儀的掃頻范圍設置為300MHz~3GHz，實測駐波比曲線如圖3-7所示，實測結果顯示，在300MHz~3GHz頻帶范圍內VSWR<3，在0.3GHz~0.35GHz、0.5GHz~0.6GHz、0.7GHz~0.8GHz、0.9GHz~1.15GHz、1.35GHz~1.5GHz、1.6GHz~1.65GHz、1.8GHz~2.1GHz、2.2GHz~2.35GHz、2.4GHz~2.5GHz、2.6GHz~2.7GHz和2.75GHz~3GHz的頻帶范圍內VSWR<2，具有良好的信號接收能力。對比圖3-5和圖3-7，可以看出外置式復合寬頻帶UHF天線實測結果略差于仿真結果，但實測結果與仿真結果大部分頻帶內的駐波比情況一致，本章所設計的外置式復合寬頻帶UHF天線具有在整個頻帶范圍內具有良好的駐波比特性。圖3-7外置式復合寬頻帶UHF天線實測駐波比為了驗證本章所設計外置式復合寬頻帶UHF天線實際接收信號的能力，在實驗室內搭建了如圖3-9所示的252kVGIS模型的局部放電測試平臺，本實驗所用的一些其他實驗設備均已在圖3-9內表明。實驗開始前，先將本章所設計的外置式復合寬頻帶UHF天線封裝好之后放置于252kVGIS模型的盆式絕緣子澆注孔位置處，在252kVGIS金屬腔體內盆式絕緣子位置放置如圖3-8所示的針板放電模型，然后對252kVGIS模型的金屬腔體進行清理，切勿遺漏任何異物，檢查本次實驗所采用的升壓設備、抽真空設備、SF6氣瓶、GIS局部放電檢測系統以及高頻寬帶示波器等設備是否可以正常工作。核查完畢后，安裝圖3-9連接實驗設備并將本章所設計的外置式復合寬頻帶UHF天線與針板放電模型在對應位置安裝好，用抽真空裝置將252kVGIS模型抽至-0.1MPa時停止并接入SF6氣瓶，直至252kVGIS模型內壓力至0.25Mpa，啟動升壓設備，觀察GIS局部放電檢測系統以及高頻寬帶示波器的顯示情況。圖3-8GIS高壓導體表面針板放電模型圖3-9外置式復合寬頻帶UHF天線實測實驗接線示意圖當對加壓至30.2kV時，從高頻寬帶示波器中看到的波形情況如圖3-10所示，在未接入信號調理單元時，本章所設計的外置式外置式復合寬頻帶UHF天線所測得信號幅值為52.3mV，持續100ns左右。圖3-10外置式復合寬頻天線測試結果1.3內置式復合鏤空多頻點UHF天線的仿真設計與實測研究1.1.1內置式復合鏤空多頻點UHF天線結構本文所設計的內置式復合鏤空天線與本文所設計的外置式復合寬頻帶UHF天線的結構類似，其天線輻射貼片是由1/4波長單級子天線、蝶形天線、高頻單級子天線以及為微帶饋線結構復合構成的，接底層同樣采用接地貼片采用未完全覆蓋形式，以降低其品質因數，拓寬檢測頻帶，但兩者最大的不同在于本文所設計內置式復合鏤空天線沒有介質基板，其天線輻射貼片和接地貼片都是由具0.3mm厚的純紫銅片切割而成，兩者通過半剛性射頻同軸電纜連接，安裝于GIS腔體手孔處，用于將GIS內部由于局部放電產生的UHF信號耦合、轉換并輸出。與普通內置式UHF天線傳感器相比，本文所設計的內置式復合鏤空多頻點UHF天線沒有介質基板，電磁波信號的傳播、接收和轉化過程始終在SF6絕緣氣體內完成，有效抑制了部分電磁波信號在介質基板和空氣層之間來回反射無法透出介質基板之外而被耗散的現象，有效提高了電磁波信號的耦合能力[46]。1.1.2內置式復合鏤空多頻點UHF天線的仿真分析本文所設計內置式復合鏤空多頻點UHF天線的預設天線的三個工作頻段的中心頻率分別為700MHz、1.25GHz、和2.5GHz，結合上述平面微帶單極子天線與蝶形天線的設計方法，擬定的內置式復合鏤空多頻點UHF天線結構尺寸如下：螺旋低頻單極子天線，總線長l1=62.5mm，底部高頻單極子天線，總線長l2=15mm，蝶形輻射單元的張角半頂角θ0=60°，臂長l0=8.43mm；單級子天線寬度，w1=1mm；單級子天線微帶饋線，總線長l3=18.5mm，寬度w2=5mm；天線輻射貼片與接地貼片的間距，h1=3mm，天線輻射貼片與接地貼片厚度，h2=0.3mm；接地輻射貼片寬度，a=21.2mm，接地輻射貼片長度，b=26.7mm。本文設計的內置式復合鏤空多頻點UHF天線仿真模型如圖3-11所示。(a)天線輻射貼片層(b)接地貼片層圖3-11內置式復合鏤空多頻點UHF天線輻射貼片與接地貼片仿真結構示意圖利用天線仿真軟件HFSS對所設計的內置式復合鏤空多頻點UHF天線參數進行優化本文根據仿真優化，最終確定的內置式復合鏤空多頻點UHF天線的結構尺寸如表3-2所示。表3-2內置式復合鏤空多頻點UHF天線的結構參數參數符號參數值l1167.95mml217.43mml08.01mmθ052.41°w11mml312.12mmw24.051mmh13mma25.28mmb27mm從表3-2可知，平面微帶單極子天線三個頻段的導線長度與初始設定值相比均有所增加，特別是700MHz處的低頻段導線長度增加了2.7倍。根據優化后的結構參數，制作出的內置式復合鏤空多頻點UHF天線的實物如圖3-4所示，內置式復合鏤空多頻點UHF天線整體結構尺寸為54mm*30mm*3mm，天線輻射層與接地層開有直徑為0.2mm的通孔，采用半剛性射頻同軸電纜連接天線輻射層與接地層，用以將耦合到的UHF信號接收、轉換并輸出。圖3-12內置式復合鏤空多頻點UHF天線天線實物圖圖3-13是采用天線仿真軟件HFSS得到的內置式復合鏤空多頻點UHF天線駐波比曲線圖（掃頻范圍設置為300MHz~3GHz）。從圖中可以看出，該內置式復合鏤空多頻點UHF天線在700MHz~3GHz頻帶范圍內VSWR<5，在1.25GHz~1.3GHz、1.45GHz~1.57GHz、2GHz~2.1GHz、2.25GHz~2.35GHz的頻帶范圍內VSWR<2，具有良好的信號接收能力，700MHz頻段以下的駐波比特性較差。圖3-13內置式復合鏤空多頻點UHF天線的仿真駐波比圖3-14為內置式復合鏤空多頻點UHF天線在1GHz，1.5GHz，2GHz，2.5GHz4個頻點處的E面和H面的輻射方向圖，采用極坐標的形式來進行繪制。從圖中可知，在此頻帶范圍內，內置式復合鏤空多頻點UHF天線E面方向始終中近似成“8”字形，H面方向圖始終近似為圓形，表明本章所設計的內置式復合鏤空多頻點UHF天線天線在水平方向是全向接受的，可接收來自空間內任意方向的電磁波信號。隨著工作頻率的升高，內置式多頻點復合鏤空天線的方向圖逐漸發生畸變，其信號接收性能逐漸變差。f=1GHzf=1.5GHzf=2GHzf=2.5GHz圖3-14內置于環氧樹脂的多頻點寬頻復合鏤空天線方向圖內置式復合鏤空多頻點UHF天線的增益仿真結果如表3-2所示，在300MHz時，其增益為-24.2dB，在3GHz時，其增益為6.7dB，隨著電磁波頻率的升高，其增益總體呈逐漸增大的趨勢，且一般而言，天線的增益越高，其靈敏度越高，越有利于局部放電UHF微弱信號的檢測。表3-2內置式復合鏤空多頻點UHF天線仿真增益測試記錄表頻率/GHz0.30.511.522.53增益/dB-25.7-16.21.82.41.34.15.21.4.3內置式復合鏤空多頻點UHF天線的實測研究在實驗室內，采用AV36580矢量網絡分析儀對內置式復合鏤空多頻點UHF天線的駐波比進行實際測量，設置AV36580矢量網絡分析儀的掃頻范圍設置為300MHz~3GHz，實測駐波比曲線如圖3-9所示，實測結果顯示，在700MHz~3GHz頻帶范圍內VSWR<5，在1.25GHz~1.42GHz、1.48GHz~1.93GHz、2GHz~2.12GHz、和2.66G