一种检测电气设备局部放电的宽带平面螺旋天线及其设计方法

摘要

本发明公开了一种检测电气设备局部放电的宽带平面螺旋天线及其设计方法，所述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单臂阿基米德螺旋导线和正弦波状螺旋导线。所述设计方法包括确定基本参数、确定所述天线导线层的初始轨迹参数、确定所述天线导线层的初始轨迹计算初始参数下，所述天线的驻波比和回波损耗、确定最佳参数步骤。本发明采用单臂阿基米螺旋线与正弦波状平面螺旋线相结合的方式，不仅有效的延长辐射长度、增大频带宽度，而且保证了良好的天线特性。作为电力设备信号检测的传感器，它在0.3~3GHZ范围内具有多个检测带，具有方向性好、频带宽、便于阻抗匹配、体积小等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带平面螺旋天线，尤其是一种检测电气设备局部放电的 宽带平面螺旋天线及其设计方法，属于电力故障诊断技术领域。

背景技术

局部放电在高压绝缘中普遍存在。局部放电故障是电气设备运行过程中最 常见的故障之一，局部放电检测具有非常重要的意义。由于高压设备绝缘内部 存在一些气泡、空隙、杂质和污秽等，绝缘介质外施电压高到一定程度时，产 生局部放电现象。局部放电分散发生在极微小的局部空间内，一般不会引起绝 缘的穿透性击穿，但可以导致电介质的局部损坏。若局部放电长期存在，在一 定条件下会导致绝缘击穿和沿面闪络。对电气设备进行局部放电试验，不但能 够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定 绝缘故障的原因及其严重程度。局部放电检测技术作为一种非破坏性的检测技 术，可以尽早发现电力设备故障，应用非常广泛。

电气设备中发生放电时局部放电脉冲宽度可达1-2ns，可激发频率达1GHz 以上的电磁波,因此可以运用超高频法对电气设备进行局部放电检测。超高频法 具有较高的灵敏度、抗干扰能力强，而且能完成局部放电识别和故障定位等优 势，成为当今研究的重点之一。

目前用于电气设备检测局部放电特高频传感器主要有微带天线、阿基米德 天线、分形天线、平面等角螺旋天线等。微带天线用于电气设备局部放电检测 时，要检测低频信号，对于贴片面积具有很高的要求，实现起来具有很大困难。 分形天线存在基次/低次谐频带宽较窄、邻频比固定、基谐频增益稍低、极化纯 度低、电场方向性差、可用分形体少等缺点。阿基米德螺旋天线属于平面螺旋 天线，从理论上讲不受工作频带的限制；但是体积较大，不适合GIS的盆式绝 缘子处检测，而且接收的频带相对较窄，在检测局部放电信号时，不具有优势。

目前超高频传感器不能拥有较宽的频带与较小的驻波比，给检测局部放电 信号带来不理想的效果。而且制造成本相对较高，致使使用不广泛。因此研制 一种同时具有良好的天线特性与较小的体积的可用于多种电力设备局部放电检 测的天线，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种检测电气设备局部放电的宽带平面螺 旋天线及其设计方法。

本发明所采取的技术方案是：

技术方案一：

一种检测电气设备局部放电的宽带平面螺旋天线，由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组成；所述天线导线层包括单臂阿基米 德螺旋导线和正弦波状螺旋导线。

所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：

r＝r₀+a(ψ-ψ₀),ψ₀≤ψ≤ψ₁             (1)

其中r₀为所述单臂阿基米德螺旋导线起始点和原点之间的距离，a为所述单 臂阿基米德螺旋导线的螺旋增长率,ψ₀为所述单臂阿基米德螺旋导线的起始角， ψ₁为所述单臂阿基米德螺旋导线的终止角，r为所述单臂阿基米德螺旋导线轨 迹的极径，ψ为所述单臂阿基米德螺旋导线轨迹的极角；

所述正弦波状螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：

r'＝r₁+b(ψ'-ψ₁),,ψ₁≤ψ'≤ψ₂             (2)

其中r₁＝r₀+a(ψ₁-ψ₀)为所述正弦波状螺旋导线的起始点和原点之间的距离， b为所述正弦波状螺旋导线的线宽，ψ₂为所述正弦波状螺旋导线的终止角，r'为 所述正弦波状螺旋导线轨迹的极径，ψ'为所述正弦波状螺旋导线轨迹的极角。

技术方案二：

一种应用于技术方案一所述天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定基本参数：所述基本参数包括：馈电方式、所述介质基板材 质、耐热等级、厚度、所述接地板和天线导线层的材质；

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 包括所述单臂阿基米德螺旋导线起始点和原点之间的距离r₀，所述单臂阿基米 德螺旋导线的螺旋增长率a,所述单臂阿基米德螺旋导线的起始角ψ₀和终止角 ψ₁；确定所述正弦波状螺旋导线的起始点和原点之间的距离r₁＝r₀+a(ψ₁-ψ₀)，所 述正弦波状螺旋导线的线宽b，所述正弦波状螺旋导线的终止角ψ₂；

步骤3：确定所述天线导线层的初始轨迹：当t＝ψ-ψ₀,t∈[0,ψ₁-ψ₀]，所述 天线导线层的轨迹为所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹，由下式确定：

$\left(\begin{array}{c}x=(r_0+\mathrm{at})\cos t\\ y=(r_0+\mathrm{at})\sin t\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，(x，y)为所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹在直角坐标系的坐标；

当t＝ψ-ψ₀,t∈[ψ₁-ψ₀,ψ₂-ψ₁]，所述天线导线层的轨迹为所述正弦波状螺旋 导线的轨迹，由下式确定：

其中，e为常数。

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：确定最佳参数：调整所述初始参数，在0.3～3GHZ之间，使所述天 线的回波损耗S₁₁的绝对值达到最大，驻波比VSWR的值达到最小。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明采用单臂阿基米螺旋线与正弦波状平面螺旋线相结合的方式，不 仅可以有效的延长辐射长度、增大频带宽度，而且保证了良好的天线特性。

2、本发明作为电力设备信号检测的传感器，在0.3～3GHZ范围内具有多个 检测带，具有方向性好、频带宽、便于阻抗匹配、体积小等特点。

3、该天线在应用于电力设备局部放电检测时，具有很好的检测效果和经济 特性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的流程图；

图3是本发明实施例2的的驻波比图；

图4是本发明实施例2的回波损耗图；

图5是本发明实施例2的三维方向和增益示意图；

其中1、导线层 2、介质基板 3、接地板。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种检测电气设备局部放电的宽带平面螺旋天线，由介质基 板和分别敷设于介质基板两侧的接地板和天线导线层组成；所述天线导线层包 括单臂阿基米德螺旋导线和正弦波状螺旋导线。

所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：

r＝r₀+a(ψ-ψ₀),ψ₀≤ψ≤ψ₁              (1)

其中r₀为所述单臂阿基米德螺旋导线起始点和原点之间的距离，a为所述单 臂阿基米德螺旋导线的螺旋增长率,ψ₀为所述单臂阿基米德螺旋导线的起始角， ψ₁为所述单臂阿基米德螺旋导线的终止角，r为所述单臂阿基米德螺旋导线轨 迹的极径，ψ为所述单臂阿基米德螺旋导线轨迹的极角；

所述正弦波状螺旋导线的轨迹由其极坐标方程确定：

r'＝r₁+b(ψ'-ψ₁),,ψ₁≤ψ'≤ψ₂           (2)

其中r₁＝r₀+a(ψ₁-ψ₀)，为所述正弦波状螺旋导线的起始点和原点之间的距 离，b为所述正弦波状螺旋导线的线宽，ψ₂为所述正弦波状螺旋导线的终止角， r'为所述正弦波状螺旋导线轨迹的极径，ψ'为所述正弦波状螺旋导线轨迹的极 角。

根据螺旋线天线设计原理，螺旋线外径D取决于天线接收的下限频率对应 的波长λ_max，一般使其周长C＝πD≥1.25λ_max，根据输入阻抗，一般取r₀＜λ_min/4。 螺旋增长率a愈小，螺旋线的曲率半径愈小。在外径D相同的条件下，螺旋 线总长度大，终端效应小，波段特性较好。螺旋线宽度大一些，其输入阻抗就 低一些。结合上述计算过程确定天线的模型参数，从而对天线进行设计。由于 r₀＜λ_min/4，从而假设初始值r₀＝λ_min/4，周长C＝πD≥1.25λ_max，假设初始C＝1.25λ_max， 从而确定单臂螺旋圈数，即确定ψ0，ψ1和ψ2的初始大小，结合微型化特点 暂设螺旋线宽度为1mm，最后根据计算结果再进行一一参数调整。

在本实施例中，所述介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料， 其耐热等级为FR-4，厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜。为了缩小 天线体积，选择同轴馈电方式，输入阻抗为50Ω。所述天线的参数如表1所示。

模型参数确定之后，本发明根据选择的介质基板与馈电方式，对新型宽带 平面螺旋天线进行结构设计。上述电力设备局部放电信号检测天线，在天线的 中心馈电点处设置有贯穿接地板、介质基板和导线层的通孔，可以连接同轴射 频接头。

本发明的新型宽带平面螺旋天线即为电力设备信号检测的传感器，该天线 在0.3～3GHZ范围内具有多个检测带具有很好方向性好，频带宽，便于阻抗匹 配等特点，同时相对其他的阿基米德螺旋天线的体积也相对较小。该天线在应 用于电力设备局部放电检测时，具有很好的检测效果和经济特性。

技术方案二：

一种应用于技术方案一所述天线的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定基本参数：所述基本参数包括馈电方式、所述介质基板材质、 耐热等级、厚度、所述接地板和天线导线层的材质；在本实施例中，设定的所 述介质基板的材质为玻璃纤维环氧树脂覆铜板耐燃材料，其耐热等级为FR-4， 厚度为2mm，所述接地板和导线层的材质为铜；

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 包括所述单臂阿基米德螺旋导线起始点和原点之间的距离r₀，所述单臂阿基米 德螺旋导线的螺旋增长率a,所述单臂阿基米德螺旋导线的起始角ψ₀和终止角 ψ₁；确定所述正弦波状螺旋导线的起始点和原点之间的距离r₁＝r₀+a(ψ₁-ψ₀)，所 述正弦波状螺旋导线的线宽b，所述正弦波状螺旋导线的终止角ψ₂；在本实施 例中，所述天线导线层的初始轨迹参数如表1所示；

步骤3：确定所述天线导线层的初始轨迹：当t＝ψ-ψ₀,t∈[0,ψ₁-ψ₀]，所述 天线导线层的轨迹为所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹，由下式确定：

$\left(\begin{array}{c}x=(r_0+\mathrm{at})\cos t\\ y=(r_0+\mathrm{at})\sin t\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，(x，y)为所述单臂阿基米德螺旋导线的轨迹在直角坐标系的坐标；

当t＝ψ-ψ₀,t∈[ψ₁-ψ₀,ψ₂-ψ₁]，所述天线导线层的轨迹为所述正弦波状螺旋 导线的轨迹，由下式确定：

其中，e为常数。

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：确定最佳参数：调整所述初始参数，在0.3～3GHZ之间，使所述天 线的回波损耗S₁₁的绝对值达到最大，驻波比VSWR的值达到最小。

如图3所示，所述天线在300MHz-3GHz范围内有多个谐振频率点，且谐振频 率点处带宽都比较宽。如图4所示，在300MHz-300MHz范围内具有很好的信号 接收特性。如图5所示，所述天线具有球状的方向性，能接受来自各个方向的 电磁波信号，其方向性和增益都比较好。在300MHz-3GHz范围内，天线参数取 最佳参数，S₁₁的绝对值大于35dB，驻波比VSWR小于2，能较好地检测局部 放电信号。

表1