應(yīng)用于局放檢測的寬帶小型化蝶形天線設(shè)計

賀俊銚,李相強(qiáng),張健穹,王慶峰

(西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610031)

局部放電是在局部范圍內(nèi)高電場集中條件下產(chǎn)生的,是導(dǎo)致高壓電氣設(shè)備絕緣失效的最主要原因。因此,局部放電必須在其發(fā)生的初期階段就能夠被檢測,并得到妥善處理,以防止安全事故的發(fā)生。特高頻法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測動態(tài)范圍大的特點(diǎn)。通過特高頻法檢測局部放電脈沖激發(fā)的不穩(wěn)定寬頻帶的電磁場信號,可以有效地分析局放信號強(qiáng)弱和類型,并且可以定位放電源[1-4]。

天線傳感器是局放電磁信號的接收器,如何設(shè)計高靈敏度的天線傳感器是特高頻法的關(guān)鍵技術(shù)之一。特高頻段的范圍為300～3000 MHz,該頻率范圍可以避免高壓電力設(shè)備電子開關(guān)和電暈放電帶來的干擾,這些放電的電磁波頻率處于300 MHz 以下[5]。大多研究對檢測范圍并沒有嚴(yán)格要求,另外在實(shí)際工程中,由于復(fù)雜的電力設(shè)備檢測環(huán)境,天線物理尺寸也會受到限制。因此,對天線傳感器的設(shè)計要求為:高增益、寬頻帶和小尺寸。

以往的研究中,多種天線被廣泛應(yīng)用到局放檢測中,除了蝶形天線,還有單極子天線、Hilbert 天線和Vivaldi 天線等[6-8]。相較于其他天線,蝶形天線具有寬頻帶、結(jié)構(gòu)小型簡單、輻射方向穩(wěn)定和制作成本低的特點(diǎn)。印度尼西亞萬隆電氣工程和信息學(xué)學(xué)院對應(yīng)用于局放檢測的蝶形天線進(jìn)行了廣泛的研究[9]。他們通過改變天線貼片形狀以調(diào)整頻率,但遺憾的是,這些天線的頻率范圍較窄,不能應(yīng)用于檢測各種復(fù)雜的高電壓設(shè)備。蝶形天線還被應(yīng)用于探地雷達(dá)中,電子科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)設(shè)計出幾種最低頻率能達(dá)到100 MHz的探地雷達(dá)天線傳感器,中國科學(xué)院大學(xué)設(shè)計出最低頻率能達(dá)到幾十MHz 的截臂開槽式蝶形天線,但是都存在尺寸較大的問題[10-12]。探地雷達(dá)的天線傳感器應(yīng)用給局放檢測的傳感器設(shè)計提供了一定的參考。

蝶形天線的結(jié)構(gòu)簡單易變,通過調(diào)整天線尺寸參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對天線性能的優(yōu)化,通過改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)可拓寬頻帶。同時,還可以利用漸變式微帶巴倫增加帶寬。另外,有關(guān)天線小型化的方法主要有:電阻加載技術(shù)、槽縫技術(shù)等[13-15]。在介質(zhì)基板下裝載反射板,使蝶形天線單向輻射,可以有效增大輻射增益,提高天線接收空間電磁輻射信號的能力[16]。

針對天線寬頻帶、小型化和高增益的需求,本文設(shè)計研制了一款帶寬為300～1800 MHz 可用于高電壓設(shè)備進(jìn)行局放檢測的蝶形天線。蝶形貼片通過平行截斷兩側(cè)的方式來減小物理尺寸,并彎折蝶形天線兩側(cè)邊線和終端,然后裝載矩形金屬反射腔,最后對蝶形天線開縫并加載電阻,通過合理調(diào)節(jié)天線各處結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化天線設(shè)計結(jié)果。通過測試,驗(yàn)證了天線設(shè)計的可行性,該蝶形天線可用于檢測局部放電信號。

1 天線原理與設(shè)計

如圖1 所示,傳統(tǒng)蝶形天線由雙錐天線演變而來,由兩個三角形貼片組成。蝶形天線的特性阻抗Zo與三角形張角θ存在關(guān)系,其總臂長l與最低工作頻率fl存在關(guān)系,兩種關(guān)系如下:

圖1 傳統(tǒng)蝶形天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional butterfly antenna structure

式中:Zo為特性阻抗;θ為天線張角;l為天線總臂長;fl為天線最低工作頻率。由以上關(guān)系式可知,通過調(diào)節(jié)天線臂長l與張角θ可達(dá)到調(diào)整帶寬和最低工作頻率的目的。然而以上優(yōu)化方式會很大程度地增加天線物理尺寸,不能滿足小型化要求。

本設(shè)計基于小型化、高增益和寬頻帶的設(shè)計需求,嘗試通過以下方式改進(jìn):

(1)天線輻射貼片結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

(2)裝載矩形金屬反射腔;

(3)開縫加載電阻。

最終蝶形天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示,主要組成結(jié)構(gòu)包括:介質(zhì)基板、輻射貼片、饋電線、矩形金屬反射腔、電阻和固定螺孔。

圖2 最終蝶形天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of final proposed butterfly antenna structure

1.1 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先,天線的相對帶寬為

式中,Q值為品質(zhì)因數(shù),其描述特定諧振電路結(jié)構(gòu)的內(nèi)在能耗特征。降低天線等效電路的Q值可以展寬頻帶。由于Q值與介質(zhì)基板的電長度h/λ成反比。因此,通過適當(dāng)增加介質(zhì)基板厚度可展寬頻帶。

根據(jù)上文分析,傳統(tǒng)共面蝶形天線尺寸偏大,頻帶較窄。本文將兩蝶形貼片分別印刷在介質(zhì)基板兩側(cè)。該天線采用結(jié)構(gòu)為漸變直線的寬頻帶微帶巴倫進(jìn)行饋電,可以在超寬頻帶中獲得良好的阻抗匹配。絕緣介質(zhì)基板選用FR4 材料,其相對介電常數(shù)εr=4.3,介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ=0.025。

通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù),傳統(tǒng)蝶形天線能夠工作在雙諧振頻率上,還可通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)使雙頻靠近,從而展寬帶寬。本文選擇合適的寬度截斷傳統(tǒng)蝶形天線貼片兩側(cè),減小天線整體的截面寬度。然后,調(diào)節(jié)兩平行截線的寬度來改變天線輸入阻抗,延長電流的路徑,實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配。最后,適當(dāng)彎曲天線終端以減少蝶形天線的反射電流。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的蝶形天線及其表面電流如圖3 所示。

圖3 蝶形天線改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其表面分布電流Fig.3 Structure evolution of butterfly antenna and related surface current distribution

圖3 清楚地展現(xiàn)了蝶形天線及其表面電流的分布。結(jié)果表明,減小兩平行截線寬度相當(dāng)于彎折天線的邊沿線,可增長天線表面電流的路徑。天線終端呈圓弧形,減小了電流在終端的反射,避免反射電流影響傳輸電流,因此輻射貼片上的電流多為行波電流,具有良好的輻射特性。

1.2 矩形金屬反射腔

為了增大天線增益和實(shí)現(xiàn)單向輻射,本設(shè)計在蝶形天線上加載了矩形金屬反射腔,且該反射腔還可以減小測試環(huán)境中其他金屬對天線的影響。

矩形反射腔除了使天線單向輻射,還可以在不增加天線尺寸的情況下,降低最低工作頻率,擴(kuò)大帶寬。天線輻射出來的電磁波與矩形反射腔耦合,金屬腔上形成感應(yīng)電流,則整個天線可近似諧振腔體。

圖4 為矩形波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu),矩形波導(dǎo)的工作波長為:

圖4 矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of rectangular waveguide structure

式中:a、b分別為矩形金屬腔體高和寬;m、n分別為矩形金屬腔體高和寬上半周期的駐波數(shù)。諧振腔體的諧振頻率為:

由于m、n決定著諧振模式,則可知加入矩形反射腔(如圖5)可增加諧振點(diǎn),通過調(diào)整高度可以優(yōu)化帶寬和輻射特性。

圖5 金屬反射腔結(jié)構(gòu)Fig.5 Metal reflective cavity structure

通過仿真軟件掃參分析,最終得到加反射腔前后天線的S參數(shù)對比如圖6 所示。結(jié)果表明,在加反射腔后,原有的兩個諧振頻率減小,在低頻處引入了兩個諧振點(diǎn),1 GHz 頻率以下的S11明顯減小,即反射損耗明顯較小。雖然仍有小部分頻帶反射損耗較大,但是相對于未裝載矩形金屬反射腔的天線,裝載矩形金屬反射腔的蝶形天線帶寬明顯增大。

圖6 裝載反射腔前后的S11 曲線Fig.6 S11 curves before and after loading the reflector

1.3 開縫加載電阻結(jié)構(gòu)

印刷天線開U 形縫隙是較常用的拓寬頻帶的方法。開縫可延長天線電流路徑,降低天線頻率,在保證物理尺寸不變的情況下實(shí)現(xiàn)寬帶。但是,過多的開縫會影響天線的輻射性能,降低增益。因此,本文采用開單縫的形式,并且為了使電流路徑盡可能長,該條寬1 mm 的單縫直接截斷天線臂,并采用4 個電阻值完全相同電阻以并聯(lián)的方式加載,保證電流能以行波方式傳輸,其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 開縫加載電阻的天線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the antenna structure with slit loaded resistor

開縫加載電阻前后的阻抗曲線對比如圖8 所示,該開縫加載的方式可將300～400 MHz 頻率范圍的輸入阻抗降低到50 Ω 左右,從而在該頻帶完成較好的匹配。在300～1800 MHz 頻帶范圍內(nèi)阻抗波動變小,也有利于寬頻帶的匹配。開縫加載電阻前后天線的S11曲線如圖9 所示,相比未開縫加載電阻的天線結(jié)構(gòu),天線開縫加載電阻后在300～1800 MHz 頻帶的S11值更小,整體小于-10 dB,反射損耗相對更小。

圖8 開縫加載電阻前后天線的阻抗曲線Fig.8 Impedance curves before and after loading resistance on slit

圖9 開縫加載電阻前后天線的S11 曲線Fig.9 S11 curves before and after loading resistance on slit

最終優(yōu)化仿真得到的天線增益曲線如圖10 所示。結(jié)果表明,增益曲線在國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的300～ 1500 MHz 頻率范圍內(nèi)具有較大的增益,增益隨著頻率增大迅速變大,之后有一定的波動。在該增益條件下,可以較好地作為接收傳感器來檢測局部放電產(chǎn)生的電磁信號。經(jīng)過仿真優(yōu)化,可得到寬頻帶、小型化和高增益的天線傳感器,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 蝶形天線主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of butterfly antenna

圖10 增益曲線Fig.10 Gain curve

2 天線仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 為本文設(shè)計的蝶形天線實(shí)物加工圖。采用Agilent 公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B 測量該天線的駐波比,仿真及測試的駐波比曲線如圖12 所示。結(jié)果表明,測試曲線在低頻段有一處波動,在高頻段處與仿真曲線基本吻合。但是,仿真駐波比和測試駐波比都能在測試頻段300～1800 MHz 區(qū)間滿足小于2 的要求。

圖11 蝶形天線實(shí)物圖Fig.11 Butterfly antenna prototype

圖12 天線仿真與測試駐波比曲線Fig.12 Simulated and measured VSWR curves of antenna

在微波暗室中測試該天線的輻射特性,按照天線長邊與水平面豎直方向放置,如圖13 所示。天線在1 GHz 仿真和測試的歸一化方向圖如圖14 和圖15 所示。由于測試條件有限,只能進(jìn)行一定角度范圍內(nèi)的方向圖掃描。圖14 為水平面的方向圖,在該面的仿真方向圖半功率波瓣寬度可達(dá)到217°,測試方向圖有一定偏差,但是在可測試的±80°范圍內(nèi)滿足半功率波瓣寬度,仍可較大角度范圍內(nèi)接收放電輻射信號。圖15 為俯仰面的方向圖,在該面的測試方向圖可較好地與仿真方向圖吻合,兩者半功率波瓣寬度都能達(dá)到100°,也可較大角度范圍內(nèi)接收放電輻射信號。

圖13 天線輻射方向圖測試照片F(xiàn)ig.13 Test photo of antenna radiation pattern

圖14 水平面輻射方向圖Fig.14 Radiation patterns in horizontal plane

圖15 俯仰面輻射方向圖Fig.15 Radiation patterns in pitch plane

3 結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)蝶形天線進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),利用寬頻帶漸近線微帶巴倫進(jìn)行側(cè)面饋電,相對于其他局放檢測天線,簡化了饋電結(jié)構(gòu)。通過反射腔與蝶形天線的耦合作用和天線的開縫加載技術(shù),既保證蝶形天線的小型化結(jié)構(gòu),又增加了蝶形天線的頻率帶寬,最終實(shí)現(xiàn)了一種可應(yīng)用于局放檢測的寬頻帶小型化天線。該天線工作頻帶為300～ 1800 MHz,相對帶寬為142.8%;頻帶內(nèi)增益最大為3.7 dBi,輻射方向圖較為穩(wěn)定。天線平面尺寸為200 mm×100 mm,最大尺寸為0.2λmax,滿足小型化要求。綜上,該天線具有高增益、寬頻帶等優(yōu)勢的同時,物理尺寸相對較小,能更好地適應(yīng)局放檢測的需求。