一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构制造技术

本发明专利技术涉及电场传感器技术领域，具体地说，涉及一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构。该传感结构由印制电路板工艺蚀刻而成，其表面镀锡用于防止铜金属氧化，同时背面焊接同轴馈电线，馈电线的另一端接SMA母头与外部传输信号；该传感结构的电路电极是以初始Hilbert分形结构为基础，分别以分形电极的阶数、外围尺寸、导体宽度以及馈电点的位置参数对初始Hilbert分形电极进行设计优化而成。本发明专利技术设计可实现电场频段的大部分覆盖，可实现高压电场信号的真实采集，为后续信号处理与识别提供坚实基础；可满足实际需求的宽频带与小型化并且有考虑实际制作误差上的回波损耗余地；其在Z轴方向上拥有良好增益，尺寸娇小、灵敏度高，具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构


[0001]本专利技术涉及电场传感器
，具体地说，涉及一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构。

技术介绍

[0002]高压电场的耦合及传播规律是检测高压电场提供理论基础。设备内部高压电场通常伴随大量正负电荷中且具有耦合特征的电磁波信号，可通过电场传感器采集电磁波信号，通过解耦算法归一化后，能够较为准确地衡量电场强度的大小。非接触式高压电场检测具有无损检测、可在线检测等优点，对电力设备的高压电场(可归算电压值)进行有效的检测和准确的定位。为满足外置式非接触式检测与内置式非接触式监测的需要，研制适用于高压电场检测的宽频带、小型化、高增益传感器对于保障设备正常运行，提高供电可靠性具有重要意义。
[0003]高压电场根据带电体所在位置、电场产生机理差异，可分为不同的电场类型。因此检测高压电场信号可以详细、全面分析故障产生原因、严重程度以及电场位置，为设备故障检修、运行管理以及风险评估提供指导。快速准确方便地识别各种电场类型是设备在线监测中重要的一环，有力支撑设备长久稳定可靠运行。使用高精度、宽频带的传感器对于提高检测的准确度与可靠性，保障电力系统稳定运行具有重要价值。
[0004]特高频传感器的研制方面许多国内外学者也取得了很多成果，较为常用的有阿基米德螺旋天线、微带天线、蝶形天线、分形天线等。2001年，日本的Toshihiro Hoshino等学者设计了一种工作频段为80
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1000MHz的双锥天线，然而由于尺寸较大且容易耦合空气电晕放电不适用于现场应用。2006年，重庆大学的张晓星、唐矩等人在《仪器仪表学报》发表的《GIS局部放电检测的微带贴片天线研究》中设计了一款特高频微带贴片天线，针对天线的介质板厚度、材料、形状以及附加电阻的匹配等参数进行优化，拓展了微带天线的带宽，优化后的天线工作频带为340
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440MHz，中心频率为390MHz，且具有较高的灵敏度，实测增益达到5.38dB。
[0005]基于微带理论以及天线的圆极化方法，西安理工大学的李伟在《西安理工大学》发表的《圆极化宽频带微带天线设计》中设计了一种双层堆叠贴片结构的双频段圆极化微带天线，这种天线在两层贴片天线之间没有引入空气层，使得天线结构更加紧密易于加工，并且在两个频段实现了谐振，但只有高频段符合设计要求，低频段效果一般。
[0006]电极的小型化最开始始于微带电极，这种电极易于加工，成本较低，更为适合关于电极小型化的实验与研究，经过多年发展，人们逐渐总结出几种将电极小型化的方法，如在微带电极上加载短路探针、采用特殊材料的基底、附加有源网络、曲流技术、分型电极等。加载短路探针方法主要是使用短路探针引入耦合电容来使电极小型化，其谐振频率主要取决于探针与馈电的位置和距离，可以大大减小电极的尺寸，然而缺点则是过于依赖探针与馈点的位置和距离，其精度要求很高，在工程应用中并不可靠。采用特殊材料基底方法则是应用了谐振频率与介质参数成反比的原理，介电常数和磁导率越高，则电极谐振频率越低，结
合电极尺寸越大，谐振频率越低的一般原理，这也就意味着在相同的谐振频率下高介电常数与高磁导率的材料可以采用更小尺寸的电极，不过这种方式伴随着的是电磁场被束缚到高介电常数的区域以及较高的介质损耗，会造成电极带宽以及接受效率的降低。加载有源电路是通过外接阻抗对电极进行补偿，改善电流分布，从而使得谐振频率降低，也就相应地降低了电极的尺寸。
[0007]高压电场信号从辐射源传递到电场传感器是一个复杂过程，且实际运行情况中存在大量干扰，对于获得的电场信号完整性分析难度较大。即使目前电场的监测已经执行了几十年但是仍存在事故误报率高、非接触式检测精度低、难度高的问题。为获得电场传感器更准确、更丰富的信息，并克服传统上需增大电极尺寸、拓展带宽的缺点，我们提出了一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0009]为实现上述技术问题的解决，本专利技术提供了一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构，该传感结构由印制电路板工艺蚀刻而成，其表面镀锡用于防止铜金属氧化，同时背面焊接同轴馈电线，馈电线的另一端接SMA母头与外部传输信号；该传感结构的电路电极是以分形理论与电磁理论相结合设计的一种新型的分形电极，以初始Hilbert分形结构为基础，分别以分形电极的阶数、外围尺寸、导体宽度以及馈电点的位置参数对初始Hilbert分形电极进行设计优化而成，并在设计研究过程在使用ANSYSHFSS软件进行仿真；具体设计优化过程包括如下步骤：
[0010]S1、首先采用Hilbert分形原理，将基础的几何形状分形到四阶；
[0011]S2、在ANSYSHFSS电极仿真软件上建立一个四阶的Hilbert分形电极，并研究改变电极参数对分型电极造成的影响；用于达到电极设计小型化的目标以及方便设计修改；
[0012]S3、搭建电极模型之后设置辐射边界条件，即吸收边界条件，以适用于HFSS软件的有限元计算方法；
[0013]S4、针对对电极性能的影响较大的馈电点、电极宽度、介质板厚度，对电极模型进行优化。
[0014]作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，Hilbert分形曲线在进阶分形过程中，各阶曲线之间有高度的自相似性，后一阶的曲线均可以通过前一阶曲线的迭代而来，每一阶分形时，在整体外围尺寸不变的情况下，Hilbert曲线总长度会随着曲线迭代次数的增加而逐渐增加，曲线也由一维逐渐扩展到二维，实现高空间利用率；Hilbert分形曲线的相似维数可由如下式(1)得到：
[0015]D＝
‑
lnN(δ)/ln(δ)
ꢀꢀ
(1)
[0016]其中，δ是衡量分形的尺度，N是Hilbert分形体划分成尺度为δ的不相交子集的最小个数，则Hilbert分型曲线的分维数可以由如下式(2)计算：
[0017][0018]其中，n为Hilbert分型曲线的阶数；当n＝4时，Hilbert分型曲线的分维数为：
[0019][0020]并且由式(3)可知，当n足够大的时候，其分维数为：
[0021][0022]即理论上当分形阶数无穷大时，Hilbert分型曲线的分维数为2，换句话说，此时Hilbert分型曲线几乎覆盖整个平面，分形曲线由一维拓展到二维，空间利用率极高。
[0023]作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，电极模型的辐射边界条件也称为空气盒子，电极模型设置边界条件后则可以代替无穷大的空间；其中，空气盒子设置的要求为：边界与电极的距离大于或等于1/4的工作波长。
[0024]作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，对电极模型进行优化的具体流程包括如下步骤：
[0025]S4.1、首先对电极馈电点的位置选取进行仿真优化；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构，其特征在于，该传感结构由印制电路板工艺蚀刻而成，其表面镀锡用于防止铜金属氧化，同时背面焊接同轴馈电线，馈电线的另一端接SMA母头与外部传输信号；该传感结构的电路电极是以分形理论与电磁理论相结合设计的一种新型的分形电极，以初始Hilbert分形结构为基础，分别以分形电极的阶数、外围尺寸、导体宽度以及馈电点的位置参数对初始Hilbert分形电极进行设计优化而成，并在设计研究过程在使用ANSYS HFSS软件进行仿真；具体设计优化过程包括如下步骤：S1、首先采用Hilbert分形原理，将基础的几何形状分形到四阶；S2、在ANSYS HFSS电极仿真软件上建立一个四阶的Hilbert分形电极，并研究改变电极参数对分型电极造成的影响；用于达到电极设计小型化的目标以及方便设计修改；S3、搭建电极模型之后设置辐射边界条件，即吸收边界条件，以适用于HFSS软件的有限元计算方法；S4、针对对电极性能的影响较大的馈电点、电极宽度、介质板厚度，对电极模型进行优化。2.根据权利要求1所述的优化Hilbert分形的非接触式电场传感结构，其特征在于，所述S1中，Hilbert分形曲线在进阶分形过程中，各阶曲线之间有高度的自相似性，后一阶的曲线均可以通过前一阶曲线的迭代而来，每一阶分形时，在整体外围尺寸不变的情况下，Hilbert曲线总长度会随着曲线迭代次数的增加而逐渐增加，曲线也由一维逐渐扩展到二维，实现高空间利用率；Hilbert分形曲线的相似维数可由如下式(1)得到：D＝
‑
lnN(δ)/ln(δ)
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(1)其中，δ是衡量分形的尺度，N是Hilbert分形...

【专利技术属性】
技术研发人员：党军朋，王勇，方明，常鹏，蒋波，李波，李博，杨传旭，王文林，常艳平，李松霖，潘再金，罗清，李康，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司玉溪供电局，
类型：发明
国别省市：