電纜局部放電寬帶平面螺旋天線設(shè)計(jì)

楊浩亮 焦紅超 石曉義

【摘 要】電纜局部放電檢測是診斷XLPE電纜早期故障的有效方法。當(dāng)電纜發(fā)生局部放電時(shí)，在超高頻段有豐富的頻率分量，而寬帶平面螺旋天線是檢測超高頻局部放電信號非常有效的傳感器。利用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對對數(shù)螺旋天線和阿基米德螺旋天線進(jìn)行了仿真和分析，仿真結(jié)果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內(nèi)，都具有較高的靈敏度和優(yōu)越的性能，能夠滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。由于阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸，較大的增益和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且便于安裝使用，被用來檢測XLPE電纜局部放電的超高頻信號。

【關(guān)鍵詞】電纜局放 平面螺旋天線 Ansoft HFSS

1 引言

XLPE電纜線路在城市供電電網(wǎng)中占有極其重要的地位。X LPE 電纜的安全運(yùn)行對整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要，一旦發(fā)生故障，將引起所轄地區(qū)重大的停電事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)和社會影響[1]。而局部放電是電纜絕緣故障早期的主要表現(xiàn)形式，它既是引起絕緣劣化的主要原因之一，又是表征絕緣狀況的主要特征量。對電纜局部放電進(jìn)行檢測是定量分析絕緣劣化程度的有效方法之一[2]。

電纜局部放電檢測是診斷XLPE電纜早期故障的有效方法。局部放電的檢測方法主要包括聲測法、溫度測量法等非電氣測量法和差分法、電磁耦合法、電容耦合法、方向耦合傳感器及超高頻法等電氣測量法。超高頻法是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其原理是利用裝設(shè)的天線傳感器接收由電纜局放陡脈沖所激發(fā)并傳播的超高頻電磁波來檢測局放信號。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：抗低頻干擾能力強(qiáng)，能對局放源進(jìn)行定位，根據(jù)所測信號的頻譜，可以區(qū)分不同的缺陷類型，同時(shí)可進(jìn)行長期現(xiàn)場監(jiān)測，靈敏度能滿足工程要求[3]。超高頻法采用的傳感器大致分為內(nèi)置型和外置型兩類。內(nèi)置型傳感器可以獲得較高的靈敏度，但是對制作安裝的要求較高，最常用的就是電容耦合傳感器。外置型傳感器的靈敏度較內(nèi)置的差些，但是安裝靈活，不影響設(shè)備的運(yùn)行，安全性高，最常用的是天線傳感器[4，5]。當(dāng)電纜發(fā)生局部放電時(shí)，在超高頻段有豐富的頻率分量，而寬帶平面螺旋天線是檢測超高頻局部放電信號非常有效的傳感器。由此本文通過對阿基米德螺旋天線和對數(shù)螺旋天線兩種平面螺旋天線進(jìn)行對比，制作了一種工作頻帶在400MHZ～1GHZ的阿基米德螺旋天線，利用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對對數(shù)螺旋天線和阿基米德螺旋天線進(jìn)行了仿真和分析，仿真結(jié)果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內(nèi)，都具有較高的靈敏度和優(yōu)越的性能，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。

2平面螺旋天線的設(shè)計(jì)

2.1 天線的性能要求

為了使天線較準(zhǔn)確的采集到XLPE電纜發(fā)生局部放電時(shí)所激發(fā)的電磁波信號，必須滿足以下要求：

（l）可以較好的接收信號并且能抑制現(xiàn)場干擾信號；

（2）帶寬和中心頻率要合適，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，便于使用和安裝；

（3）電壓駐波比小于2，并且具有較高的增益和靈敏度，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[6]。

2.2 天線的設(shè)計(jì)

2.2.1等角螺旋天線

等角螺旋天線是一種頻率無關(guān)天線，天線的形狀由具有一公共軸和相同參數(shù)的等角螺旋線構(gòu)成。天線具有由平衡饋電線饋電的兩個(gè)臂，螺旋線的等角臂形成在同一平面上。天線表面非導(dǎo)電介質(zhì)部分的形狀和尺寸與螺旋等角臂的形狀和尺寸全等。一般情況下該天線需視其對工作帶寬的要求，用 1.5～3 匝做成[7]。螺旋線的極坐標(biāo)表達(dá)式為：

（1）

為螺旋線矢徑；為極坐標(biāo)中的旋轉(zhuǎn)角；為時(shí)的起始半徑；為螺旋率，它決定著螺旋張開的快慢。

天線的最低工作頻率和最高工作頻率可以按下式計(jì)算：

（2） 其中為螺旋臂起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，為螺旋臂末端到原點(diǎn)的距離，為上限工作頻率對應(yīng)的波長，為下限工作頻率對應(yīng)的波長。

用Ansoft HFSS軟件做出的天線輻射面如圖1。對數(shù)螺旋天線的各個(gè)尺寸為：，，匝數(shù)=1.5，。

2.2.2阿基米德螺旋天線

平面阿基米德天線螺旋線的方程為：。其中為曲線上任意一點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，為方位角，為起始角，為螺旋線起始點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，為常數(shù)，稱為螺旋增長率。該天線的參數(shù)計(jì)算方法如下：

式中為天線外徑，為天線內(nèi)徑，為上限工作頻率對應(yīng)的波長，為下限工作頻率對應(yīng)的波長。愈小螺旋線的曲率半徑愈小。在外徑相同的條件下，螺旋線總長度越大，終端效應(yīng)越小，波段持性較好。但太小，圈數(shù)太多，傳輸損耗就會加大，通常取每臂大約20圈。螺旋線寬度大一些，其輸入阻抗就低一些。自補(bǔ)結(jié)構(gòu)輸入阻抗理論值，實(shí)際結(jié)構(gòu)輸入阻抗約為左右。若螺旋線寬度大于間隙寬度，則可降低輸入阻抗[8]。

用Ansoft HFSS軟件做出的天線輻射面如圖2。阿基米德螺旋天線的各個(gè)尺寸為：，，匝數(shù)=22.8，。

2.2.3巴倫的設(shè)計(jì)

平面螺旋天線是平衡對稱結(jié)構(gòu)，其饋電方式為平衡饋電。天線傳輸線采用同軸電纜，然而同軸線雖然屬于超寬帶饋電線，并且具有良好的寬頻帶特性，但是其饋電方式為非平衡饋電，因此需要增加平衡饋電到非平衡饋電的轉(zhuǎn)換裝置即巴倫。巴倫一般分為同軸線巴倫、雙面微帶線巴倫、共面微帶線巴倫、三線巴倫和Marchand巴倫五種。本文采用指數(shù)漸變線式的平行雙線微帶巴倫，以此來滿足寬帶平面螺旋天線對于寬帶、平衡饋電的要求。所謂平行雙線分別指微帶線和其對應(yīng)的地板，當(dāng)微帶線的地板同微帶線本身都應(yīng)用指數(shù)漸變，且變換至同樣的寬度時(shí)，就由初始端的非平衡饋電變成了平衡的平行雙線饋電結(jié)構(gòu)，并且在此變換過程中實(shí)現(xiàn)了阻抗變換，因此這種指數(shù)漸變線結(jié)構(gòu)巴倫就實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配和非平衡到平衡的變換[9]。

該巴倫分為正反兩面，雙面均為微帶漸變線。始端寬度不同，接同軸電纜，終端寬度漸變到相等，接天線雙臂。平行雙線漸變線巴倫結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于平面阿基米德螺旋天線的輸入阻抗為，所以在工作頻帶內(nèi)由輸入端的變?yōu)檩敵龆说?。其非平衡?/p>

線寬可按微帶線寬計(jì)算，[10]。根據(jù)唯一性定理和鏡像原理，其特性阻抗約為同樣寬度的微帶線端口阻抗的2倍，根據(jù)上述計(jì)算方法，可得巴倫的各項(xiàng)參數(shù)為，，，[11]。

3 仿真結(jié)果

據(jù)XLPE電纜局部放電的特性，高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對對數(shù)螺旋天線和阿基米德螺旋天線進(jìn)行了仿真和分析。如下進(jìn)行詳細(xì)的分析。

天線的介質(zhì)基板選取的是環(huán)氧樹脂板，它的介電常數(shù)，介質(zhì)基板的厚度。

3.1駐波比

電壓駐波比系數(shù)VSWR通常用來表征天線與饋線的匹配情況，計(jì)算公式為：，其中：為反射損耗的反射系數(shù)。它與傳輸特性阻抗的關(guān)系為：

，式中：為天線的輸入阻抗；為傳輸特性阻抗。對數(shù)螺旋天線電壓駐波比如圖4所示，阿基米德螺旋天線電壓駐波比如圖5所示。

3.2增益

天線增益是綜合衡量天線能量和方向特性的參數(shù)，通常以天線在最大輻射方向上的增益作為天線的增益，以天線在最大輻射方向的方向系數(shù)作為這一天線的方向性系數(shù)。天線在某方向的增益G是它在該方向的

輻射強(qiáng)度同天線以同一輸入功率向空間均

勻輻射的輻射強(qiáng)度之比，即：

式中：U為天線在某方向的輻射強(qiáng)度；為輸入功率[12]。阿基米德螺旋天線的三維增益方向圖如圖6所示，對數(shù)螺旋天線的三維增益方向圖如圖7所示：

由仿真結(jié)果分析可知，阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸、較大的增益、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且便于安裝使用。因此本設(shè)計(jì)采用阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)做出了天線實(shí)物，并進(jìn)行了現(xiàn)場測試，天線仿真圖圖8和實(shí)物圖圖9如下：

4 結(jié)語

根據(jù)XLPE電纜局部放電的特性，高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對對數(shù)螺旋天線和阿基米德螺旋天線進(jìn)行了仿真和分析，仿真結(jié)果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內(nèi)，都具有較高的靈敏度和優(yōu)越的性能，能夠滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，并且設(shè)計(jì)了適合于XLPE電纜局放檢測的超高頻天線，天線中心頻率為700MHZ，天線在Z軸正方向具有最大增益值。

設(shè)計(jì)采用平行雙線漸變線巴倫經(jīng)50同軸電纜饋電，天線具有超寬頻帶特性，經(jīng)仿真和測量，在整個(gè)有效帶400MHZ～1GHZ內(nèi)電壓駐波比小于2， 并且具有較高的增益和靈敏度，可以較好的接收信號并且能抑制現(xiàn)場干擾信號，易于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，測試達(dá)到了要求。

阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸、較大的增益、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，被用來檢測XLPE電纜局部放電的超高頻信號，此天線具有便于對電纜局放進(jìn)行非接觸檢測，其具有較高的靈敏度和良好的方向性，能夠滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，同時(shí)還可以隔離工頻信號和避免空間電暈以及周期性脈沖信號的干擾。

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