檢測(cè)GIS局部放電的小型化多頻帶復(fù)合天線(xiàn)

01傳統(tǒng)的阿基米德螺旋天線(xiàn)平面阿基米德螺旋天線(xiàn)自20世紀(jì)50年代被特納（EdwinTurner）提出以來(lái)，由于其低剖面、不受工作頻帶限制、圓極化等特點(diǎn)，被普遍應(yīng)用在通信方面，其曲線(xiàn)方程為式中：r為螺旋天線(xiàn)的半徑；r0為螺旋天線(xiàn)的初始半徑；a為螺旋增長(zhǎng)率；

φ

為幅角。由式（1）可知，螺旋的半徑隨角度的變化均勻增加。圖1a)為雙臂阿基米德螺旋天線(xiàn)，另一臂的方程為圖1

平面雙臂阿基米德螺旋天線(xiàn)及其原理Fig.1

Planartwo-armArchimedeanspiralantennaanditsschematicdiagram圖1b)表示雙臂阿基米德螺旋天線(xiàn)的原理，在天線(xiàn)兩臂中心的起始端施加相位差為180°的饋電方式，A和A′代表λ/π直徑兩端電流正向相反的電流元，經(jīng)半圈后（弧長(zhǎng)AA′約為λ/π）又使A、A′有180°的相位差，最終達(dá)到同相輻射的效果。在另一臂上的B點(diǎn)電流元到原點(diǎn)的距離與A點(diǎn)電流元到原點(diǎn)的距離相等，并且兩者方向相同，因此兩者同相；同理可知，B′點(diǎn)電流元與A′點(diǎn)電流元不僅同向也同相。因此，這張傳統(tǒng)天線(xiàn)的主要輻射區(qū)域是圍繞在可以稱(chēng)之為有效輻射帶的周長(zhǎng)近似等于波長(zhǎng)λ的螺旋環(huán)帶上。主輻射區(qū)域會(huì)伴隨著頻率的變化發(fā)生相應(yīng)的變動(dòng)，但是其方向圖基本是維持不變的。對(duì)于平面阿基米德螺旋天線(xiàn)而言，其螺旋導(dǎo)線(xiàn)的內(nèi)徑2r0對(duì)天線(xiàn)的最高工作頻率和阻抗匹配有著影響，一般取為式中：λh為最短工作波長(zhǎng)。螺旋導(dǎo)線(xiàn)的外徑2rM取決于最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)，一般取周長(zhǎng)為式中：λl為復(fù)合天線(xiàn)輸入阻抗帶寬的最低工作頻率下的波長(zhǎng)。由式（4）可知，平面阿基米德螺旋天線(xiàn)的工作頻率越低，λl越大，螺旋導(dǎo)線(xiàn)的外徑2rM越大，從而造成天線(xiàn)的尺寸過(guò)大，這與GIS局部放電特高頻檢測(cè)對(duì)天線(xiàn)小型化的訴求是背道而馳的。螺旋增長(zhǎng)率a為通常螺旋增長(zhǎng)率a的取值為0.12~1.20，a的取值大小代表著螺旋導(dǎo)線(xiàn)的曲率半徑的大小，兩者呈現(xiàn)正比關(guān)系。對(duì)于相同的外徑，螺旋臂總長(zhǎng)度大，終端效應(yīng)小，帶寬寬；然而如果a過(guò)小，則會(huì)造成圈數(shù)過(guò)多，這將會(huì)大大增加傳輸損耗，因此需要適中選擇。02多頻點(diǎn)寬頻復(fù)合天線(xiàn)特性2.1

復(fù)合天線(xiàn)結(jié)構(gòu)本文設(shè)計(jì)的復(fù)合天線(xiàn)由蝶形輻射單元、平面阿基米德螺旋導(dǎo)線(xiàn)以及正弦波狀螺旋導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成，使用指數(shù)漸變的微帶巴倫來(lái)進(jìn)行饋電。該復(fù)合天線(xiàn)基于平面阿基米德螺旋天線(xiàn)，再結(jié)合曲流技術(shù)對(duì)平面阿基米德螺旋天線(xiàn)進(jìn)行正弦波曲折化的處理，從而實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化；采用多個(gè)輻射單元技術(shù)，在正弦波狀螺旋導(dǎo)線(xiàn)的終端進(jìn)行蝶形加載，不僅能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的多頻段，還能使得螺旋終端的反射電流大幅降低，從而起到改善螺旋天線(xiàn)的低頻特性的效果，有效地增加帶寬。1）正弦波曲折臂設(shè)計(jì)。由式（3）（4）可知，螺旋天線(xiàn)接收的最低工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)決定阿基米德天線(xiàn)外圈的螺旋臂長(zhǎng)，螺旋天線(xiàn)接收的最高工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)決定阿基米德天線(xiàn)內(nèi)圈的螺旋臂長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合天線(xiàn)，在確保天線(xiàn)高頻特性的前提下，其中的螺旋天線(xiàn)內(nèi)6圈仍采用標(biāo)準(zhǔn)的平面阿基米德螺旋導(dǎo)線(xiàn)，但是自第7圈開(kāi)始對(duì)天線(xiàn)作正弦波曲折化處理，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合天線(xiàn)的工作帶寬相對(duì)均勻地向低頻靠近的效果。另外，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，本文采用了自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，即阿基米德螺旋導(dǎo)線(xiàn)的寬度與兩條螺旋導(dǎo)線(xiàn)之間的距離相等。2）蝶形輻射單元加載。本文利用不同諧振頻率輻射單元的復(fù)合，在正弦波狀螺旋導(dǎo)線(xiàn)的終端進(jìn)行蝶形加載，不僅能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的多頻段，還能有效增加天線(xiàn)的帶寬。蝶形天線(xiàn)具有剖面低、頻帶寬等特性，張角θ0與臂長(zhǎng)l是決定其性能的2個(gè)重要因素，圖2所示為蝶形天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)。天線(xiàn)的工作頻帶與天線(xiàn)的張角θ0呈現(xiàn)正比關(guān)系，綜合考慮對(duì)于天線(xiàn)的小型化要求，其張角θ0值取60°~150°；此外，蝶形天線(xiàn)的臂長(zhǎng)l與天線(xiàn)的低頻特性息息相關(guān)，蝶形天線(xiàn)的臂長(zhǎng)l增加時(shí)，天線(xiàn)的低頻特性也會(huì)相應(yīng)變得更加優(yōu)越，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，蝶形輻射單元的臂長(zhǎng)為圖2

復(fù)合天線(xiàn)示意Fig.2

Schematicdiagramofcompositeantenna式中：Zc為復(fù)合天線(xiàn)的特性阻抗，為本文根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)的復(fù)合天線(xiàn)綜合考慮了天線(xiàn)輻射性能和小型化、寬帶化（包含多頻段）等關(guān)鍵因素，得到復(fù)合天線(xiàn)的各個(gè)參數(shù)。復(fù)合天線(xiàn)的螺旋圈數(shù)為8圈，螺旋內(nèi)徑2r0=4mm，螺旋外徑2rM

=105.6mm，螺旋增長(zhǎng)率a=0.65，正弦波周期數(shù)n=40，正弦波振幅e=0.6mm，蝶形輻射單元的張角θ0=148.2°，臂長(zhǎng)l=94mm。根據(jù)上述參數(shù)采用PCB印刷制作出復(fù)合天線(xiàn)實(shí)物，圖3為該復(fù)合天線(xiàn)的輻射面示意，天線(xiàn)輻射面印制在厚度為1.6mm、材質(zhì)為FR4_epoxy的基板上。圖3

復(fù)合天線(xiàn)輻射面Fig.3

Radiationsurfaceofcompositeantenna3）饋電巴倫的設(shè)計(jì)。復(fù)合天線(xiàn)是平衡對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，它們通常采用同軸電纜進(jìn)行饋電，然而同軸電纜是不平衡的，因此必須通過(guò)巴倫饋電。巴倫不僅能起到不平衡-平衡變換器的作用，同時(shí)還兼有阻抗變換的功能。為使用同軸電纜對(duì)復(fù)合天線(xiàn)進(jìn)行饋電，本文采用微帶巴倫進(jìn)行饋電，其中微帶巴倫的指數(shù)是漸變的，圖4為該結(jié)構(gòu)示意。微帶線(xiàn)與接地板都為指數(shù)漸變式，如果微帶線(xiàn)的接地板指數(shù)的寬度可以漸變到與上側(cè)微帶線(xiàn)相同，那么就能夠達(dá)到由輸入不平衡端50Ω阻抗到輸出平衡端120Ω阻抗的變換。圖4

指數(shù)漸變微帶巴倫結(jié)構(gòu)示意Fig.4

Schematicdiagramofmicrostripbalunstructurewithexponentialgradient根據(jù)上述已確定的復(fù)合天線(xiàn)尺寸，制作了指數(shù)漸變微帶巴倫，該巴倫印制在FR4_epoxy介質(zhì)基板上，基板的厚度為2mm，巴倫長(zhǎng)度為50mm，寬度為26mm，其實(shí)物如圖5所示。圖5

指數(shù)漸變微帶巴倫實(shí)物Fig.5

Imageofexponentialgradientmicrostripbalun連接制作好的復(fù)合天線(xiàn)與指數(shù)漸變微帶巴倫，饋電方式為射頻連接器SMA-KE直角插座對(duì)巴倫，復(fù)合天線(xiàn)的整體實(shí)物如圖6所示。圖6

復(fù)合天線(xiàn)實(shí)物Fig.6

Imageofcompositeantenna2.2

復(fù)合天線(xiàn)駐波比工程上通常用電壓駐波比（VSWR）來(lái)反映天線(xiàn)接收信號(hào)的反射，其值為（–∞,1）。圖7是采用天線(xiàn)仿真軟件HFSS得到的復(fù)合天線(xiàn)駐波比曲線(xiàn)（掃頻范圍設(shè)置為0.3~3.0GHz）。圖7

復(fù)合天線(xiàn)仿真駐波比曲線(xiàn)Fig.7

SimulatedVSWRcurveofcompositeantenna從圖7可以看出，復(fù)合天線(xiàn)在頻段范圍0.7~3.0GHz時(shí)，其VSWR的值小于5；在頻段范圍0.82~0.87GHz、1.02~1.33GHz、1.62~2.01GHz、2.50~2.78GHz時(shí)，其VSWR值小于2。圖8為實(shí)測(cè)復(fù)合天線(xiàn)及小型化螺旋天線(xiàn)駐波比曲線(xiàn)，測(cè)試結(jié)果顯示，在頻段范圍0.75~0.9GHz、1.23~1.48GHz、1.78~2.12GHz、2.42~2.79GHz時(shí)，復(fù)合天線(xiàn)的VSWR值小于2，且具有較寬的頻帶范圍，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)放電信號(hào)的接收。對(duì)比圖7和圖8，可以看出復(fù)合天線(xiàn)在1GHz頻段以下的實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致；復(fù)合天線(xiàn)駐波比實(shí)測(cè)結(jié)果優(yōu)于小型化螺旋天線(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，這驗(yàn)證了天線(xiàn)設(shè)計(jì)的合理性。圖8

天線(xiàn)實(shí)測(cè)駐波比曲線(xiàn)Fig.8

MeasuredVSWRcurveofcompositeantenna2.3

復(fù)合天線(xiàn)方向圖輻射方向圖代表了復(fù)合天線(xiàn)在不同輻射和接收方向上的相對(duì)強(qiáng)度。因?yàn)閺?fù)合天線(xiàn)具有軸向的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，所以本文只測(cè)試了復(fù)合天線(xiàn)在如圖9所示的6個(gè)頻點(diǎn)上的輻射方向圖，方向圖以極坐標(biāo)的形式表示。圖9顯示了復(fù)合天線(xiàn)在不同中心頻率下天線(xiàn)E面（phi=0°）和H面（phi=90°）的輻射方向圖。由輻射方向圖可知，天線(xiàn)在整個(gè)頻段范圍內(nèi)，都擁有著較好的雙向輻射特性；E面方向圖和H面方向圖分別呈現(xiàn)出近似8字形和圓形，這說(shuō)明該復(fù)合天線(xiàn)在水平方向是全向的，能夠滿(mǎn)足天線(xiàn)對(duì)方向性的要求；此外，復(fù)合天線(xiàn)的方向圖在頻率升高的過(guò)程中發(fā)生了畸變，可能是由于在頻率升高的過(guò)程中，復(fù)合天線(xiàn)在工作過(guò)程中，可以接收和輻射更高頻次的電磁波模。圖9

復(fù)合天線(xiàn)的輻射方向圖Fig.9

Radiationpatternofcompositeantenna2.4

復(fù)合天線(xiàn)增益表1為復(fù)合天線(xiàn)和小型化螺旋天線(xiàn)的實(shí)測(cè)增益對(duì)比結(jié)果記錄表，由表可知，增益的數(shù)值與電磁波頻率總體呈正比關(guān)系，從300MHz的–24.2dB增大到3GHz的6.5dB。一般說(shuō)來(lái)增益越大，復(fù)合天線(xiàn)對(duì)局部放電特高頻微弱信號(hào)的檢測(cè)靈敏度就越高。表1

增益測(cè)試記錄Table1

Recordofgaintest03復(fù)合天線(xiàn)實(shí)測(cè)研究本文搭建了252kV的GIS局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)復(fù)合天線(xiàn)檢測(cè)超高頻局放信號(hào)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：252kVGIS模型、250kV局放電源、寬頻帶示波器、特高頻天線(xiàn)傳感器。為了模擬GIS的針-板局部放電模型，在高壓導(dǎo)桿上放置金屬尖刺突出物，并且在GIS中充入壓強(qiáng)為0.4MPa的SF6氣體，缺陷模型及安裝示意如圖10所示，圖11為GIS局放實(shí)驗(yàn)的接線(xiàn)。圖10

GIS高壓導(dǎo)體表面針板放電模型Fig.

10PinplatedischargemodelofGIShighvoltageconductorsurface圖11

局部放電試驗(yàn)接線(xiàn)示意Fig.11

Wiringdiagramofpartialdischargetest本文使用多頻點(diǎn)復(fù)合天線(xiàn)與外置小型化螺旋天線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，將它們均放置于盆式絕緣子處。小型化螺旋天線(xiàn)尺寸為132.6×97.0×51.0mm，復(fù)合天線(xiàn)尺寸較小，僅為114.0×96.0×51.0mm。當(dāng)對(duì)GIS缺陷模型加壓至30.2kV時(shí)，圖12為同時(shí)使用2種天線(xiàn)接收到的局放信號(hào)波形，其中復(fù)合天線(xiàn)所測(cè)得信號(hào)幅值為51.7mV，小型化平面螺旋天線(xiàn)所測(cè)得信號(hào)幅值為61.3mV。相比小型化平面螺旋天線(xiàn)，復(fù)合天線(xiàn)檢測(cè)到的局部放電信號(hào)的幅值稍小。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合天線(xiàn)檢測(cè)頻帶比小型化平面螺旋天線(xiàn)寬，能夠接受UHF信號(hào)中更多頻帶的能量，但是各頻段下電磁波折反射的能量較小。復(fù)合天線(xiàn)可以清晰有效地檢測(cè)到GIS設(shè)備中的局部放電信號(hào)，并且其信噪比較高，能夠有效地辨別噪聲干擾和局放信號(hào)，能夠滿(mǎn)足UHF信號(hào)檢測(cè)要求。圖12

實(shí)測(cè)的UHF信號(hào)波形Fig.12

MeasuredUHFsignalwaveform

04結(jié)論本文通過(guò)研究檢測(cè)GIS局部放電的多頻點(diǎn)寬頻復(fù)合天線(xiàn)，得到結(jié)論：1）采用曲流技術(shù)對(duì)阿基米德天線(xiàn)雙臂進(jìn)行正弦波曲折化處理可以延長(zhǎng)天線(xiàn)臂的有效電長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)；采用多個(gè)輻射單元技術(shù)，在正弦波狀螺旋導(dǎo)線(xiàn)的終端進(jìn)行蝶形加載，可以拓寬帶寬，實(shí)現(xiàn)多頻；復(fù)合天線(xiàn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，尺寸較小，僅為114.0×96.0×51.0mm。2）復(fù)合天線(xiàn)可以同時(shí)滿(mǎn)足小型化、高增益和多頻帶的特性要求，在0.75~0.0.9GHz、1.23~1