检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法，该天线包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和天线导线层，天线导线层包括正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线和蝶形辐射单元，正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线的末端和蝶形辐射单元的起始端无缝连接；正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线内圈采用平面阿基米德螺旋导线，外圈采用正弦波状螺旋导线；该设计方法包括确定基本参数、确定天线导线层的初始轨迹参数及初始轨迹、计算初始参数下天线的驻波比和回波损耗、确定最佳参数等步骤。本发明专利技术提供的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，天线特性好、体积小、频带宽，提高了电气设备局部放电的检测效果。

【技术实现步骤摘要】
检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法
本专利技术涉及电气设备局部放电检测设备
，特别是涉及一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法。
技术介绍
现代电力系统中的电气设备在生产、制造、安装、运行过程中存在各种绝缘缺陷，导致发生不同程度的局部电场畸变，继而引发电气设备发生局部放电现象。局部放电会对电气设备造成不良影响，加速电气设备的老化，影响电气设备工作的稳定性，因此对于局部放电的检测尤为重要。对电气设备进行局部放电试验，不仅能反映电气设备绝缘劣化的严重程度，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障发生的原因，及时作出防范措施，从而保障电气设备的正常运行，减少经济损失，保障人民生命财产安全。当电气设备局部放电发生时，尖锐的电流脉冲会激发磁场并向外辐射电磁波。由于电流脉冲上升陡峭，持续时间短，脉冲激励的电磁波频率高达数1GHz，通过在设备外部安装特高频天线传感器，可以检测由局部放电电流脉冲激励的电磁波信号，实现局部放电的检测。这种方法称为特高频法。由于特高频法存在抗干扰能力强、灵敏度高、检测系统简单，能完成局部放电识别和故障识别等优势，在在线监测领域被广泛使用。目前，所设计的用于检测电气设备局部放电的特高频天线传感器主要有为微带天线、阿基米德螺旋天线、分形天线等。微带天线具有薄的平面结构，便于共形，制造简单，成本低，但存在检测频带窄、检测低频信号困难等缺点。分形天线在不同程度上可使得天线的尺寸得到缩减，但牺牲了天线带宽、驻波比、增益等重要指标。阿基米德螺旋天线从理论上讲不受工作频带的限制，但是体积较大，接收的频带相对较窄，在检测局部放电时不具备优势。综上所述，目前对于特高频天线传感器的设计主要存在检测频带窄、频段单一、尺寸过大以及天线性能差等问题。因此，为了更好地实现电气设备局部放电的在线监测，设计一种小型化、宽带化(包含多频段)且具有良好天线特性的特高频天线，具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法，天线特性好、体积小、频带宽，提高了电气设备局部放电的检测效果。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和天线导线层，所述天线导线层包括正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线和蝶形辐射单元，所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线的末端和蝶形辐射单元的起始端无缝连接；所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线内圈采用平面阿基米德螺旋导线，外圈采用正弦波状螺旋导线，所述蝶形辐射单元的一翼与所述平面阿基米德螺旋导线连接，所述蝶形辐射单元的另一翼与所述正弦波状螺旋导线连接；所述多频点宽频天线的中心馈电点处设有贯穿接地板、介质基板和天线导线层的通孔，用于连接同轴射频接头。可选的，所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线包括A旋臂和B旋臂，所述平面阿基米德螺旋导线沿A旋臂布设，所述正弦波状螺旋导线沿B旋臂布设；所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的轨迹由两条边缘曲线的极坐标方程确定：其中，r01、r02分别是所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的两条边缘曲线初始径向距离；a为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的螺旋增长率，为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的初始相位角，为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的终止相位角；r1A、r2A分别是所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线轨迹的极径；为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线轨迹的极角。可选的，所述B旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹由A螺旋臂的正弦波状螺旋导线旋转180°得到，所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：其中，b为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的线宽；r1A'、r2A'分别是所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹的极径；为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的终止相位角；为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹的极角。可选的，所述蝶形辐射单元的轨迹由张角θ0和臂长l决定，张角θ0在60°～150°，根据经验公式，低端频率对应的波长λ1与蝶形天线臂长l之间的关系为：式中：λ1为所述多频点宽频天线输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长；ZC为多频点宽频天线的特性阻抗。可选的，所述检测电气设备局部放电的多频点宽频天线的带宽为0.3～3GHz。本专利技术还提供了一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线的设计方法，应用于上述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，包括以下步骤：步骤1：确定多频点宽频天线的基本参数，所述基本参数包括馈电方式、所述天线导线层和接地板材质、所述介质基板材质与基板厚度；步骤2：确定所述天线导线层的初始轨迹参数：所述天线导线层的轨迹参数包括所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线初始径向距离r01、r02，所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的螺旋增长率a，所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的初始相位角和终止相位角确定所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的线宽b，所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的终止相位角确定所述蝶形辐射单元的张角θ0和臂长l；步骤3：确定所述天线导线层的初始轨迹：当所述天线导线层的轨迹为所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的轨迹，由下式确定：其中，(x1A，y1A)、(x2A，y2A)为所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的轨迹在直角坐标系中的坐标；当所述天线导线层的轨迹为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的轨迹，由下式确定：其中，e为常数；所述天线导线层的初始轨迹还包括所述蝶形辐射单元的初始轨迹，所述蝶形辐射单元的初始轨迹由张角θ0和臂长l决定，取天线的张角θ0在60°～150°，则臂长l由下式确定：式中：λ1为所述多频点宽频天线输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长；ZC为多频点宽频天线的特性阻抗；步骤4：计算初始参数下，所述天线的驻波比VSWR和回波损耗S11；步骤5：优化调整确定最佳参数：根据步骤4的仿真结果，调整所述初始参数，使得在0.3～3GHz频率范围内，所述天线的驻波比VSWR的值与回波损耗S11的值达到最小；步骤6：根据最佳参数制作多频点宽频天线。可选的，所述步骤1中，所述确定多频点宽频天线的基本参数，所述基本参数包括馈电方式、所述天线导线层和接地板材质、所述介质基板材质与基板厚度，具体包括：馈电方式采用指数渐变微带巴伦进行同轴线馈电，所述天线导线层和接地板材质为铜，所述介质基板的材质为FR-4，其介电常数为4.4，厚度为1.6mm。可选的，所述步骤2中，确定所述天线导线层的初始轨迹参数为所述天线导线层的轨迹参数包括所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线初始径向距离r01为1mm、r02为2mm，所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的螺旋增长率a为0.65，所述A螺旋臂的平面阿基米德螺旋导线的初始相位角为-π/6和终止相位角为13π/6；确定所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的线宽b，所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的终止相位角为16π/6；确定所述蝶形辐射单元的张角θ0为148.2°和臂长l为85.4mm。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提供的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线及其设计方法，其中，多频点宽频天线由A螺旋臂和B螺旋臂构成，采用平面阿基米德螺旋导线和正弦波状螺旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和天线导线层，所述天线导线层包括正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线和蝶形辐射单元，所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线的末端和蝶形辐射单元的起始端无缝连接；所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线内圈采用平面阿基米德螺旋导线，外圈采用正弦波状螺旋导线，所述蝶形辐射单元的一翼与所述平面阿基米德螺旋导线连接，所述蝶形辐射单元的另一翼与所述正弦波状螺旋导线连接；所述多频点宽频天线的中心馈电点处设有贯穿接地板、介质基板和天线导线层的通孔，用于连接同轴射频接头。

【技术特征摘要】
1.一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，包括介质基板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和天线导线层，所述天线导线层包括正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线和蝶形辐射单元，所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线的末端和蝶形辐射单元的起始端无缝连接；所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线内圈采用平面阿基米德螺旋导线，外圈采用正弦波状螺旋导线，所述蝶形辐射单元的一翼与所述平面阿基米德螺旋导线连接，所述蝶形辐射单元的另一翼与所述正弦波状螺旋导线连接；所述多频点宽频天线的中心馈电点处设有贯穿接地板、介质基板和天线导线层的通孔，用于连接同轴射频接头。2.根据权利要求1所述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，所述正弦波状平面改进阿基米德螺旋导线包括A旋臂和B旋臂，所述平面阿基米德螺旋导线沿A旋臂布设，所述正弦波状螺旋导线沿B旋臂布设；所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的轨迹由两条边缘曲线的极坐标方程确定：其中，r01、r02分别是所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的两条边缘曲线初始径向距离；a为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的螺旋增长率，为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的初始相位角，为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线的终止相位角；r1A、r2A分别是所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线轨迹的极径；为所述A旋臂的平面阿基米德螺旋导线轨迹的极角。3.根据权利要求2所述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，所述B旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹由A螺旋臂的正弦波状螺旋导线旋转180°得到，所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：其中，b为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的线宽；r1A'、r2A'分别是所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹的极径；为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线的终止相位角；为所述A螺旋臂的正弦波状螺旋导线轨迹的极角。4.根据权利要求1所述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，所述蝶形辐射单元的轨迹由张角θ0和臂长l决定，张角θ0在60°～150°，根据经验公式，低端频率对应的波长λ1与蝶形天线臂长l之间的关系为：式中：λ1为所述多频点宽频天线输入阻抗带宽的低端频率所对应的波长；ZC为多频点宽频天线的特性阻抗。5.根据权利要求1所述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，所述检测电气设备局部放电的多频点宽频天线的带宽为0.3～3GHz。6.一种检测电气设备局部放电的多频点宽频天线的设计方法，应用于权利要求1-5任一所述的检测电气设备局部放电的多频点宽频天线，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定多频点宽频天线的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永强，关杰，耿镱诚，张涛，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13