變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，包括上圓臺(tái)、下圓臺(tái)、上圓柱體以及下圓柱體；其中，所述上圓臺(tái)的頂端與所述下圓臺(tái)的頂端相對(duì)且以一間隙設(shè)置；所述上圓柱體連接所述上圓臺(tái)的上端面；所述下圓柱體連接所述下圓臺(tái)的下端面；上圓臺(tái)的上端面半徑小于下圓臺(tái)的下端面半徑。本發(fā)明中天線具有470MHz～3GHz的工作帶寬，H面方向圖呈現(xiàn)全向特性，E面方向圖在低頻段呈現(xiàn)餅圈型，在中高頻段呈現(xiàn)心形，實(shí)現(xiàn)了方向圖增益的“上翹”，增大了豎直面0°?60°的仰角區(qū)間天線的增益，可以更好的接收變電站的局部放電信號(hào)。
【專利說(shuō)明】
變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及雙錐天線，具體地，涉及一種變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì) 稱雙錐天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 局部放電是絕緣結(jié)構(gòu)因絕緣缺陷存在，如懸浮電位體、尖端突出、表面污穢、內(nèi)部 氣隙等，而導(dǎo)致局部范圍內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)或者絕緣介質(zhì)承受電氣強(qiáng)度能力下降而導(dǎo)致的非 貫穿性的放電現(xiàn)象。局部放電目前已經(jīng)成為電力行業(yè)的研究熱點(diǎn)，局部放電的研究主要集 中在檢測(cè)方法及其相關(guān)信號(hào)處理、局部放電類型識(shí)別與局部放電源定位等方面。從研究現(xiàn) 狀來(lái)看，目前局部放電帶電或在線檢測(cè)儀器或裝置大都針對(duì)某一特定高壓設(shè)備(如變壓器、 GIS等），在設(shè)備本體上安裝多個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)思路，造成測(cè)試時(shí)需攜帶多套不同類型儀器， 操作不便，且所需傳感器較多，安裝復(fù)雜，儀器購(gòu)置綜合成本高，檢測(cè)裝置自身維護(hù)工作量 大，檢測(cè)過(guò)程中會(huì)同電氣設(shè)備發(fā)生接觸。故而所安裝系統(tǒng)的性價(jià)比不高，同時(shí)還存在其本身 運(yùn)行壽命不及一次設(shè)備，可靠性不高的問(wèn)題。為了提高檢測(cè)效率，快速、高效地進(jìn)行設(shè)備檢 測(cè)，通過(guò)單一檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)變電站局部放電的全站檢測(cè)顯得尤為重要。
[0003] 基于UHF法的電氣設(shè)備局部放電監(jiān)測(cè)，UHF傳感器的設(shè)計(jì)和安裝是前提和基礎(chǔ)，對(duì) 信號(hào)的檢測(cè)效果有直接的影響，不僅決定了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，也對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)的 后期處理有著重要影響。UHF法的優(yōu)勢(shì)在于良好的抗干擾性能和靈敏度，為提升傳感器的抗 干擾性能在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)其工作頻帶的選擇應(yīng)盡可能避開(kāi)干擾所在的頻率部分，而提高靈 敏度則能有效提高天線對(duì)UHF信號(hào)的接收能力。除此之外，傳感器的安裝和工作應(yīng)盡可能減 小或避免對(duì)電氣設(shè)備絕緣及運(yùn)行帶來(lái)的影響，因此，傳感器的尺寸和重量也是設(shè)計(jì)過(guò)程中 應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。
[0004] 盡管對(duì)局部放電UHF傳感器有著不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，但工程上對(duì)UHF傳感器的選擇和 設(shè)計(jì)多遵循以下的通用原則：
[0005] 1、選擇有效的檢測(cè)頻帶，該頻帶應(yīng)盡量背景背景噪聲的頻帶，以此來(lái)提高檢測(cè)的 靈敏度和抗干擾能力；
[0006] 2、天線具有寬頻帶。資料表明，檢測(cè)帶寬幾乎與檢測(cè)到的局部放電脈沖的能量成 正比關(guān)系，因此選擇寬頻帶的天線對(duì)檢測(cè)局部放電脈沖是十分有利的。并且局部放電脈沖 的能量會(huì)隨其發(fā)生位置不同和傳播路徑不同發(fā)生很大變化，這種情況同樣要求天線具有寬 頻帶的特性；
[0007] 3、不影響電氣設(shè)備的運(yùn)行，能和后續(xù)單元較好的匹配；
[0008] 4、可靠性好，壽命長(zhǎng)。
[0009] 由于UHF空間定位技術(shù)的發(fā)展，局部放電空間定位全站檢測(cè)用UHF傳感器的研究逐 漸興起。該類傳感器可用于檢測(cè)變電站內(nèi)各類電氣設(shè)備發(fā)出的局部放電信號(hào)，擁有較寬的 頻帶，工作頻段覆蓋變電站內(nèi)不同電氣設(shè)備中不同缺陷類型的局部放電源所激發(fā)UHF信號(hào) 的頻率范圍。
[0010]考慮到變電站局部放電現(xiàn)場(chǎng)往往存在電磁干擾，包括周期脈沖干擾和隨機(jī)脈沖干 擾。空氣中電暈放電脈沖持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、波頭上升時(shí)間也較長(zhǎng)，其信號(hào)能量頻率一般在 200MHz以下?，F(xiàn)場(chǎng)還可能含有各種隨機(jī)噪聲干擾如白噪聲、地網(wǎng)噪聲、電路耦合噪聲以及斷 路器開(kāi)關(guān)斷合閘噪聲等。調(diào)頻信號(hào)、電視信號(hào)、移動(dòng)通信信號(hào)、航空器通信信號(hào)等除移動(dòng)通 信信號(hào)在900MHz或1.8GHz外，大都在300MHz范圍以內(nèi)。因此，當(dāng)電力設(shè)備內(nèi)發(fā)生局部放電 時(shí)，通過(guò)檢測(cè)其發(fā)出的電磁波中的超高頻段(300~3000MHz)信號(hào)來(lái)檢測(cè)局部放電，可以盡 量低頻干擾信號(hào)，提高局部放電檢測(cè)的信噪比。
[0011]因此，工程上對(duì)局部放電空間定位全站檢測(cè)用UHF傳感器的選擇和設(shè)計(jì)多遵循以 下的通用原則：
[0012] 1、檢測(cè)頻帶在300MHz~3GHz，避免300MHz-下的低頻干擾信號(hào)；
[0013] 2、水平方向上具有近似全向的增益特性；
[0014] 3、具有較高的信號(hào)檢測(cè)靈敏度；
[0015] 4、尺寸不易過(guò)大，方便安裝。
[0016]國(guó)外，英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)的Philip Moore等人于2003年提出了UHF局部放 電空間定位的思路，并根據(jù)倒錐單極子天線結(jié)構(gòu)研制了車載式空間定位UHF傳感器。具體實(shí) 施方法是將UHF天線陣列安裝于汽車頂部，在設(shè)備附近進(jìn)行巡邏，可以有效檢測(cè)到設(shè)備因局 部放電輻射到空氣中的UHF信號(hào)，由于傳播路徑不同，局部放電信號(hào)到達(dá)車頂各天線的時(shí)間 是不同的，因此在各天線間形成了信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，正確讀取時(shí)間差可以計(jì)算出局部放電 源的位置，同時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)在移動(dòng)中接收局部放電信號(hào)，可以取得多檢測(cè)點(diǎn)的定位結(jié)果，其 中具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果可認(rèn)定為局部放電源定位的最終結(jié)果，有效避免了信號(hào)在傳播過(guò)程 中折反射帶來(lái)的誤差。在變電站實(shí)際檢測(cè)中，基于該方法的車載局部放電檢測(cè)系統(tǒng)成功發(fā) 現(xiàn)了并定位了變壓器套管和架空線的局部放電，該研究使用的雙錐天線能檢測(cè)到幾十米外 放電源輻射出的UHF信號(hào)，同背景噪聲相比UHF信號(hào)具有良好的信噪比。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 整個(gè)變電站電氣設(shè)備尤其是設(shè)備外部絕緣和附件的局部放電檢測(cè)，有效利用了UHF天線檢 測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了之前UHF法檢測(cè)的盲區(qū)。國(guó)內(nèi)，重慶大學(xué)孫才新等人采用四個(gè)離散 化加工的盤錐天線，對(duì)全站的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)及定位。上海交通大學(xué)江秀臣等人設(shè)計(jì)了 一種用于變電站局部放電空間定位的特高頻傳感器。該傳感器采用橢圓單極貼片的結(jié)構(gòu)， 工作頻帶寬為300MHz-2GHz，具有全向、高靈敏度、駐波比低及群時(shí)延穩(wěn)定等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種變電站局部放電全站檢測(cè)用特 高頻非對(duì)稱雙錐天線。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明提供的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，包括上圓 臺(tái)、下圓臺(tái)、上圓柱體以及下圓柱體；
[0019] 其中，所述上圓臺(tái)的頂端與所述下圓臺(tái)的頂端相對(duì)且以一間隙設(shè)置；
[0020] 所述上圓柱體連接所述上圓臺(tái)的上端面；所述下圓柱體連接所述下圓臺(tái)的下端 面；
[0021 ]上圓臺(tái)的上端面半徑小于下圓臺(tái)的下端面半徑。
[0022]優(yōu)選地，還包括同軸線；同軸線的阻值為50歐姆；
[0023] 其中，所述同軸線的內(nèi)芯與上圓臺(tái)連接;所述同軸線的外芯與下圓臺(tái)連接；
[0024] 同軸線的特性阻抗與橫截面的關(guān)系式Zo為：
[0025] Z0 = ^1η(^)Ω (4-15)
[0026] 式中er為同軸線制作材料的介電常數(shù)，D、d分別為同軸線橫截面的外徑、內(nèi)徑。
[0027] 優(yōu)選地，上圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度Lw _= 下圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度= /i| + r22；
[0028] 其中，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)的高度均為I1,ri為上圓柱體半徑，r2為下圓柱體半徑。
[0029] 優(yōu)選地，上圓柱體半徑ri = 95mm;下圓柱體半徑Γ2 = 150mm。
[0030] 優(yōu)選地，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)的高度均Ii為50mm。
[0031 ] 優(yōu)選地，上圓柱體、下圓柱體高度h為50mm。
[0032] 優(yōu)選地，同軸線內(nèi)芯半徑為0.75mm。
[OO33 ] 優(yōu)選地，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)中間間隙距離d為2mm。
[0034] 優(yōu)選地，所述上圓柱體與所述上圓臺(tái)的上端面的半徑相同；所述下圓柱體與所述 下圓臺(tái)的下端面的半徑相同。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0036] 1、本發(fā)明中天線具有470MHz~3GHz的工作帶寬，H面方向圖呈現(xiàn)全向特性，E面方 向圖在低頻段呈現(xiàn)餅圈型，在中高頻段呈現(xiàn)心形，實(shí)現(xiàn)了方向圖增益的"上翹"，增大了豎直 面0°-60°的仰角區(qū)間天線的增益，可以更好的接收變電站的局部放電信號(hào)；
[0037] 2、本發(fā)明中天線在在上圓臺(tái)的上端、下圓臺(tái)的下端連接上一個(gè)圓柱體，使得上圓 臺(tái)、下圓臺(tái)末端呈現(xiàn)漸變結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)非對(duì)稱雙錐天線的仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該款變形 非對(duì)稱雙錐天線的尺寸體積減小了約50%，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，便于安裝在車載式變電 站局部放電全站檢測(cè)系統(tǒng)中。
【附圖說(shuō)明】
[0038]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0039] 圖1為本發(fā)明中無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線的示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明中無(wú)限長(zhǎng)不對(duì)稱雙錐天線的示意圖；
[0041 ]圖3為本發(fā)明中有限長(zhǎng)雙錐天線的示意圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0043] 圖5為本發(fā)明中建成的非對(duì)稱雙錐天線模型圖；
[0044] 圖6為本發(fā)明上圓柱體半徑對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0045] 圖7為本發(fā)明中下圓柱體半徑對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0046] 圖8為本發(fā)明中上圓臺(tái)、下圓臺(tái)高度對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0047] 圖9為本發(fā)明中上圓柱體、下圓柱體高度對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0048] 圖10為本發(fā)明中同軸饋線內(nèi)芯對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0049] 圖11為本發(fā)明上圓臺(tái)、下圓臺(tái)中間間隙距離對(duì)天線電壓駐波比的影響示意圖；
[0050] 圖12為本發(fā)明中非對(duì)稱雙錐天線電壓駐波比仿真結(jié)果示意圖；
[00511圖13(a)、（b)分別為本發(fā)明在0.4GHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0052] 圖14(a)、（b)分別為本發(fā)明在0.6GHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0053] 圖15(a)、(b)分別為本發(fā)明在0.7GHz的E面(左圖）、H面(右圖)方向圖；
[0054]圖16(a)、（b)分別為本發(fā)明在IGHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0055]圖17(a)、（b)分別為本發(fā)明在1.5GHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0056]圖18(a)、（b)分別為本發(fā)明在2GHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0057]圖19(a)、（b)分別為本發(fā)明在2.5GHZ的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0058]圖20(a)、（b)分別為本發(fā)明在3GHz的E面(左圖）、H面(右圖）方向圖；
[0059] 圖21為本發(fā)明中非對(duì)稱雙錐天線改進(jìn)前后電壓駐波比仿真對(duì)比圖示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0060] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0061] 錐形天線作為最古老的超寬頻天線，是由洛奇在19世紀(jì)90年代首先提出的。錐形 天線主要包括雙錐偶極子、單錐單極子和盤錐天線?？紤]到車載式全站檢測(cè)系統(tǒng)的UHF天線 位于汽車頂部，變電站內(nèi)大多數(shù)電氣設(shè)備都高于汽車，所以UHF天線接收到的局部放電信號(hào) 大多來(lái)自豎直面0°-60°的仰角區(qū)間，這需要使UHF天線的E面圖減小來(lái)自天線下方以及頂端 的增益，然而對(duì)稱雙錐天線、單錐單極子以及盤錐天線的E面圖上下結(jié)構(gòu)對(duì)稱，呈現(xiàn)"8"字 形，無(wú)法滿足要求。本發(fā)明中選擇非對(duì)稱雙錐天線來(lái)實(shí)現(xiàn)E面圖增益的"上翹"。
[0062]雙錐天線的輸入阻抗常常是衡量雙錐天線工作頻帶的重要指標(biāo)。由此，計(jì)算雙錐 天線的輸入阻抗往往是設(shè)計(jì)雙錐天線的開(kāi)始。本發(fā)明開(kāi)始針對(duì)無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線以及有限長(zhǎng) 雙錐天線的輸入阻抗做簡(jiǎn)單的介紹。
[0063] 如果一個(gè)天線的兩半導(dǎo)體是端對(duì)端的無(wú)限錐形表面，但在饋電處有一個(gè)有限的縫 隙，就能得到圖1所示的無(wú)限雙錐天線。由于無(wú)限雙錐天線的結(jié)構(gòu)是無(wú)限的，可以作為傳輸 線來(lái)分析。在縫隙上施加時(shí)變電壓，電流將沿導(dǎo)體表面徑向地從縫隙向外流出。此電流隨之 產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)Ηφ。如果假設(shè)TEM傳輸線模，即所有場(chǎng)對(duì)傳播方向?yàn)闄M向，電場(chǎng)將垂直 于磁場(chǎng)，為Θ向。當(dāng)錐形頂部的電位為正時(shí)，底部的電位就為負(fù)的，電力線從上錐延伸到下錐 如圖1中所示。
[0064] 在錐間區(qū)域，J = O，H =仏|, ￡ = F01則安培定律知▽ X H =如略.+ /:，簡(jiǎn)化為
[0065]
(4-1)
[0066] J為電流密度，H為空間磁場(chǎng)強(qiáng)度，ΗΦ為空間中名方向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量，I為球坐標(biāo)系 下Φ方向單位向量，E為空間電場(chǎng)強(qiáng)度，Εθ為空間中§方向電場(chǎng)強(qiáng)度分量，.沒(méi)為球坐標(biāo)系下Θ 方向單位向量，Θ為球坐標(biāo)系下線段與Z軸正方向的夾角，ω為角頻率，ε為材料介電常數(shù)，Er 為空間中f方向電場(chǎng)強(qiáng)度分量，r為球坐標(biāo)系下點(diǎn)到原點(diǎn)的距離。
[0067] 對(duì)r分量和對(duì)Θ分量是
[0068]
(4-2)
[0069] 從式(4-1)看到
）*所以
[0070]
(4-3)
[0071] 由于結(jié)構(gòu)的作用像球面波波導(dǎo)，可以將式(4-3)寫成
[0072]
(4 4)
[0073] 其中，Ho為原點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0074] 然后，將式(4-4)帶入式(4-2)，得到
[0075]
(4-5)
[0076]該方程簡(jiǎn)單的形式就是Εθ = τ?ΗΦ，這證實(shí)了此波是TEM波。場(chǎng)分量按l/sin0變化，所 以輻射場(chǎng)F(0)為，
[0077]
(4-6)
[0078] 輻射場(chǎng)F(0)在導(dǎo)體表面上對(duì)最大值的歸一化為1，其中，η為比例系數(shù)，圓錐半 頂角。
[0079] 為了確定輸入阻抗，應(yīng)先找出終端電壓和電流。參考圖12,能夠看到通過(guò)沿恒定半 徑r的積分，能夠求出電壓V(r)為，
[0080]
(4-7)
[0081] 由于錐體是等位面，可以沿任何r積分。將式(4-5)帶入上面式子，得出V(r)，
[0082]
(4-8)
[0083] 在導(dǎo)體表面上，ΗΦ的邊界條件是Js = H4l,在一個(gè)錐上的總電流，可以由電流密度Js 沿錐進(jìn)行積分求出，如圖12所示，所以
[0084]
(4-9J
[0085] 將式(4-4)帶入(4-9)得出
[0086]
C4-10)
[0087] 由式(4-8)和式(4-10)，在任意點(diǎn)r處的特性阻抗Z0為
[0088]
(4-11)
[0089] 由于特性阻抗Zo不是r的函數(shù)，所以必然也是輸入點(diǎn)處(r = 0)的阻抗。因此，將η* 120JT帶入式(4-11)中，得出輸入阻抗Zin為，
[0090] (4-12)
[0091]
[0092] (4-13)
[0093] 其中，011是以弧度表示的。輸入阻抗是實(shí)數(shù)，是因?yàn)榇嬖诘氖羌冃胁?。由于結(jié)構(gòu)是 無(wú)限大的，沒(méi)有出現(xiàn)不連續(xù)引起反射而建立的駐波，阻抗中有電抗分量時(shí)才會(huì)出現(xiàn)駐波(除 少數(shù)諧振點(diǎn)外）。如果9h=l°，則Zin = 568+j〇Q。如果0h=5〇°，則Zin = 91+j〇Q。
[0094] 如果一個(gè)錐一直向外張開(kāi)成為一個(gè)完純導(dǎo)電地平面，就形成地面上方的無(wú)限錐。 該無(wú)限雙錐的單極子模型具有的輸入阻抗是無(wú)限雙錐輸入阻抗的一半。
[0095] 以上討論的無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線中上錐角等于下錐角，上下結(jié)構(gòu)對(duì)稱，若無(wú)限長(zhǎng)雙錐 天線上下結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，即上錐角為θ〇,下錐角為0 1，01+0()矣31，示意圖如圖13所示。利用行波 電壓與行波電流之比得出無(wú)限長(zhǎng)不對(duì)稱雙錐天線的輸入阻抗Z in，如公式(4-14)所示：
[0096]
(4-14)
[0097] 由式(4-12)可以看出，無(wú)限雙錐天線的輸入阻抗Zin僅與錐角011有關(guān)，而與頻率f無(wú) 關(guān)，所以無(wú)限雙錐天線是一種非頻變天線，理論上它的帶寬可以是無(wú)窮大。然而實(shí)際工程 中，無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線是不可能存在的。天線尺寸總是有限的，有限長(zhǎng)雙錐天線的終端會(huì)產(chǎn)生 反射，改變無(wú)限長(zhǎng)雙錐天線上的行波電流狀態(tài)，產(chǎn)生駐波。TEM波和錐末端產(chǎn)生的高次模同 時(shí)存在。這些高次模主要產(chǎn)生天線的電抗。錐末端引起反射而建立的駐波導(dǎo)致復(fù)數(shù)的輸入 阻抗。
[0098] 通過(guò)增加圖3中的011角，可在逐漸變寬的帶寬內(nèi)使輸入阻抗的電抗部分保持最小。 同時(shí)，輸入阻抗的實(shí)部變得對(duì)頻率的改變(或改變圖3中的h)不太敏感?？梢酝ㄟ^(guò)分析圖2的 錐形單極子的測(cè)量數(shù)據(jù)加以說(shuō)明，其中天線阻抗相對(duì)于單極子高度U的數(shù)據(jù)表明，可以達(dá) 到寬帶天線定義部分所需的2:1阻抗寬帶的要求。此天線幾何結(jié)構(gòu)對(duì)角度的依賴大于對(duì)長(zhǎng) 度的依賴。大錐角雙錐天線的輸入阻抗實(shí)驗(yàn)值在錐形單極子的實(shí)驗(yàn)值基礎(chǔ)上乘以2得到。2 9h越接近90°，有限長(zhǎng)圓錐天線的輸入電阻和輸入電抗隨天線長(zhǎng)度L h的變化越平緩;天線錐 角20h*9〇°時(shí)，天線長(zhǎng)度U大于λ/2時(shí)，天線的輸入電阻接近于50 Ω，輸入電抗接近于〇,因此 有限長(zhǎng)雙錐天線錐角為90°時(shí)具有很寬的阻抗帶寬。
[0099] 本發(fā)明中的天線基于雙錐天線的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，上圓臺(tái)半徑小于下圓臺(tái)半徑， 通過(guò)調(diào)整上下圓臺(tái)的不對(duì)稱性來(lái)控制天線的輻射方向，并且在上下圓臺(tái)的末端連接上一個(gè) 圓柱體，使得圓臺(tái)末端呈現(xiàn)漸變結(jié)構(gòu)，可以有效減少反射，提高天線的頻帶寬度的同時(shí)還減 小了天線的尺寸。天線采用50歐姆同軸線進(jìn)行饋電。同軸線的特性阻抗與橫截面的關(guān)系式 為：
[0100] '4 15
[0101] 式中Er為材料的介電常數(shù)，D、d分別為同軸線橫截面的外徑和內(nèi)徑。
[0102] 設(shè)計(jì)的非對(duì)稱雙錐天線示意圖如圖16所示，圖中I1為上、下圓臺(tái)的高度，I2為上、下 圓柱體的高度，ri為上圓柱體半徑，r 2為下圓柱體半徑，d為上、下圓臺(tái)中間的間隙距離。
[0103] 上圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度.= 十rf .，下圓臺(tái)的母線長(zhǎng)度心。脈=彳!| + rf的，母線 長(zhǎng)度以及圓柱體的高度對(duì)天線的中心頻率有較大的影響，一般當(dāng)公式(4-16)成立時(shí)輻射性 能最好。以500MHz為例，其四分之一波長(zhǎng)A/4 = c/4f= 150mm。且由4.1.2節(jié)得出的結(jié)論天線 錐角接近90°時(shí)，天線的輸入阻抗接近50歐姆，具有較寬的阻抗帶寬。
[0104] LuP+12 = A/4 (4-16)
[0105] 對(duì)本發(fā)明中的非對(duì)稱雙錐天線結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化：
[0106] 通過(guò)HFSS仿真發(fā)現(xiàn)，非對(duì)稱雙錐天線的上下圓柱體半徑及高度、圓臺(tái)高度、上下圓 臺(tái)間隙長(zhǎng)度等，對(duì)天線的駐波比均有較為明顯的影響。使駐波比最小即是仿真優(yōu)化的目標(biāo)。 考慮到HFSS仿真速度較慢，在一個(gè)模型中對(duì)不同參數(shù)仿真同時(shí)進(jìn)行仿真效率低，且不容易 找出規(guī)律。本發(fā)明決定逐一對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)單一參數(shù)優(yōu)化時(shí)其它參數(shù)設(shè)置為固定值，固 定值的選取則靠經(jīng)驗(yàn)公式以及前期大量仿真數(shù)據(jù)得出。下面的對(duì)比仿真中已把非對(duì)比參數(shù) 值設(shè)為最佳值(即最后天線尺寸優(yōu)化后的值）。
[0107] 天線上圓柱體半徑的確定：圖6是不同的天線上圓柱體半徑對(duì)天線電壓駐波比影 響的對(duì)比結(jié)果，天線上圓柱體半徑可以通過(guò)式(4-14)、（4-16)的經(jīng)驗(yàn)公式初步估算出大致 范圍，然后通過(guò)HFSS參數(shù)優(yōu)化得到具體的天線上圓柱體半徑，對(duì)比仿真時(shí)已將天線尺寸的 其他參數(shù)設(shè)為最佳值。從圖6可以看出，天線上圓柱體半徑越大電壓駐波比越好，但在 0.65GHz處電壓駐波比有一個(gè)顯著的抬升，天線上圓柱體半徑為65mm及75mm曲線在0.65GHz 處電壓駐波比超過(guò)2,當(dāng)天線上圓柱體半徑增大至105mm時(shí)在高頻處的電壓駐波比性能下 降。綜合考慮天線電壓駐波比低頻段、高頻段的性能，最終確定天線上圓柱體半徑rl = 95mm 〇
[0108] 天線下圓柱體半徑的確定：圖7是不同的天線下圓柱體半徑對(duì)天線電壓駐波比影 響的對(duì)比結(jié)果，可以看出當(dāng)下圓柱體半徑超過(guò)150mm后，電壓駐波比曲線變得不穩(wěn)定，分別 在0.9GHz與1.8GHz有較高的駐波比。下圓柱體半徑小于150mm，隨著半徑的減小，電壓駐波 比升高。因此確定下圓柱體半徑最佳值r2 = 150mm。
[0109] 天線上圓臺(tái)、下圓臺(tái)高度11的確定，由圖8可以看出天線圓臺(tái)高度對(duì)天線性能的影 響較大，圓臺(tái)高度為40mm時(shí)在0.55GHz與IGHz處電壓駐波比達(dá)到極大值4和2.85，此時(shí)駐波 比小于2的頻帶為0.7-0.9GHz，1.2-2.2GHz，不符合局部放電UHF傳感器的工作頻帶要求。而 當(dāng)圓臺(tái)高度大于40mm時(shí)，天線駐波比隨著圓臺(tái)高度的增加而增大，最終確定天線圓臺(tái)高度 最佳值11 = 50mm 〇
[0110] 天線上圓柱體、下圓柱體高度12的確定：由圖9可以看出天線上圓柱體、下圓柱體 高度對(duì)天線電壓駐波比的影響較為復(fù)雜。在低頻區(qū)段(0.4-0.9GHz)，天線電壓駐波比隨圓 柱體高度的增加而減小;在中頻區(qū)段(0.9-1.3GHz)，天線電壓駐波比隨圓柱體高度的增加 而增加;在高頻區(qū)段(1.8-2.2GHz)，圓柱體高度對(duì)天線電壓駐波比的影響不大。研究低頻區(qū) 段，發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓柱體高度為70mm、80mm時(shí)，天線的電壓駐波比在0.4GHz處已小于2,這意味著此 時(shí)的天線工作頻率下限低于0.4GHz，可能接收到變電站傳來(lái)的低頻信號(hào)干擾。因此決定天 線上、下圓柱體高度最佳值為12 = 50mm。
[0111] 天線同軸饋線內(nèi)芯半徑b的確定：由圖10可以看出天線同軸饋線內(nèi)芯半徑對(duì)天線 電壓駐波比有較大影響，整體來(lái)說(shuō)天線電壓駐波比隨著饋線內(nèi)芯半徑的增大而增大。而在 高頻區(qū)內(nèi)芯半徑為0.65mm的駐波比曲線不如內(nèi)芯半徑為0.75mm的駐波比曲線。本發(fā)明在 4.2.3節(jié)已根據(jù)同軸線的特性阻抗公式(4-14)計(jì)算出當(dāng)同軸饋線內(nèi)外半徑比例為3.44:1時(shí) 其特性阻抗為50歐姆。模型已將同軸饋線外徑確定為2.85mm，理論計(jì)算出內(nèi)芯半徑為 0.82mm同軸線的特性阻抗將達(dá)到50歐姆。對(duì)比仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)內(nèi)芯半徑為0.75mm時(shí)天線整 體性能更好。因此選擇天線同軸線內(nèi)芯半徑最佳值為b = 0.75mm。
[0112]天線上圓臺(tái)、下圓臺(tái)中間間隙距離d的確定：圖11表示了天線上下圓臺(tái)中間的間隙 距離對(duì)天線性能影響的對(duì)比仿真，可以看出隨著間隙距離的增大天線電壓駐波比增大，理 論上來(lái)說(shuō)間隙距離大于1.5mm時(shí)距離越小天線性能越好。但是考慮天線后續(xù)的加工過(guò)程中， 間隙距離過(guò)小對(duì)加工工藝要求較高，本發(fā)明最終選擇間隙距離的最佳值d = 2mm。
[0113] 經(jīng)過(guò)4.3節(jié)的參數(shù)優(yōu)化以及反復(fù)的仿真，還有對(duì)加工工藝實(shí)現(xiàn)難度的考量，最終確 定的非對(duì)稱雙錐天線上、下圓臺(tái)高度為11 = 50mm，上、下圓柱體高度為12 = 50mm，上圓柱體 半徑為rl = 95mm，下圓柱體半徑為r2 = 150mm，同軸饋線內(nèi)芯半徑為b = 0.75mm，上、下圓臺(tái) 中間間隙距離為d = 2mm。仿真得到的電壓駐波比曲線如圖11所示，方向圖如圖12所示。
[0114] 從圖13可以看出在470MHz~3GHz頻率范圍內(nèi)，天線的電壓駐波比小于2。諧振頻率 在2.2GHz附近，駐波比接近1，而在650MHz處，駐波比出現(xiàn)一個(gè)較大的峰值，為1.84。
[0115] 非對(duì)稱雙錐天線在起始頻率0.4GHz、終止頻率3GHz，選取了0.4GHz、0.6GHz、 0.7GHz、IGHz、1.5GHz、2GHz、2.5GHz、3GHz共8個(gè)頻率點(diǎn)的E面方向圖和H面方向圖仿真結(jié)果。 方向圖的仿真是在理想情況下得到的，與實(shí)際加工出來(lái)受到工藝精度等因素限制的天線存 在一定差別。但是該仿真也可以說(shuō)明天線方向圖的大致變化趨勢(shì)，為天線的性能考量提供 參考。在低頻區(qū)〇. 4GHz、0.6GHz、0.7GHz，天線電尺寸小，增益較低。E面方向圖呈現(xiàn)餅圈型， 增益最大值在90°位置，3dB帶寬為90°，H面方向圖為全向的，不圓度非常低。到達(dá)中頻段 IGHz時(shí)，天線的E面方向圖開(kāi)始由餅圈型變?yōu)樾男停瑢?shí)現(xiàn)了方向圖增益的上翹，增益最大值 偏移到了45°，3dB帶寬縮小為75°。隨著頻率的升高，天線電尺寸逐漸變大接近1，天線的方 向圖性能開(kāi)始惡化。1.5GHz時(shí)，天線的E面方向圖增益最大值偏移到了23°，3dB帶寬縮小為 47°面方向圖的全向性出現(xiàn)一些偏移，不圓度為UdBjGH z以上頻率時(shí)，天線電尺寸超過(guò) 1，天線的E面方向圖和H面方向圖均出現(xiàn)了副瓣，天線增益降低，性能進(jìn)一步惡化。
[0116] 本發(fā)明中的非對(duì)稱雙錐天線在其圓臺(tái)末端連接上一個(gè)圓柱體，使得圓臺(tái)末端呈現(xiàn) 漸變結(jié)構(gòu)，可以有效減少反射，提高天線的頻帶寬度的同時(shí)還減小了天線的尺寸。圖14給出 了非對(duì)稱雙錐天線在添加圓柱體前后的天線電壓駐波比仿真圖，圖中未添加圓柱體天線的 尺寸為上、下圓臺(tái)高度為11 = l〇〇mm，上圓臺(tái)半徑為rl = 190mm，下圓臺(tái)半徑為r2 = 300mm， 同軸饋線內(nèi)芯半徑為b = 0.75mm，上、下圓臺(tái)中間間隙距離為d = 2mm。由圖可以看出兩者的 駐波比曲線大致相同，工作帶寬都是500MHz-3GHz，在中頻段1.2GHz-2.3GHz添加圓柱體天 線的電壓駐波比略低于未添加圓柱體天線，而在低頻段和高頻段添加圓柱體天線的電壓駐 波比略高于未添加圓柱體天線。換言之，在保證非對(duì)稱天線工作頻段相同、電壓駐波比曲線 一致的情況下，添加圓柱體可使得非對(duì)稱天線的尺寸體積減小約50%。
[0117]本發(fā)明基于非對(duì)稱雙錐天線原理，利用HFSS設(shè)計(jì)了一款連接圓柱體的變形非對(duì)稱 天線作為車載式變電站局部放電全站檢測(cè)特高頻傳感器，仿真數(shù)據(jù)顯示該天線具有470MHz ~3GHz的工作帶寬，H面方向圖呈現(xiàn)全向特性，E面方向圖在低頻段呈現(xiàn)餅圈型，在中高頻段 呈現(xiàn)心形，實(shí)現(xiàn)了方向圖增益的"上翹"，增大了豎直面0°-60°的仰角區(qū)間天線的增益，可以 更好的接收變電站的局部放電信號(hào)。而且天線在在上下圓臺(tái)的末端連接上一個(gè)圓柱體，使 得圓臺(tái)末端呈現(xiàn)漸變結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)與傳統(tǒng)非對(duì)稱雙錐天線的仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該款變形非對(duì) 稱雙錐天線的尺寸體積減小了約50%，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化，便于安裝在車載式變電站局 部放電全站檢測(cè)系統(tǒng)中。
[0118]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征在于，包括上圓臺(tái)、 下圓臺(tái)、上圓柱體W及下圓柱體； 其中，所述上圓臺(tái)的頂端與所述下圓臺(tái)的頂端相對(duì)且W-間隙設(shè)置； 所述上圓柱體連接所述上圓臺(tái)的上端面;所述下圓柱體連接所述下圓臺(tái)的下端面； 上圓臺(tái)的上端面半徑小于下圓臺(tái)的下端面半徑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，還包括同軸線； 其中，所述同軸線的內(nèi)忍與上圓臺(tái)連接;所述同軸線的外忍與下圓臺(tái)連接； 同軸線的特性阻抗與橫截面的關(guān)系式Zo為：式中Er為同軸線制作材料的介電常數(shù)，D、d分別為同軸線橫截面的外徑、內(nèi)徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所沐的巧由站局部放由金站檢測(cè)用特高頻非對(duì)疏雙錐天線，其特征 在于，上圓臺(tái)的母線長(zhǎng)月其中，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)的高度均為h，ri為上圓柱體半徑，n為下圓柱體半徑。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，上圓柱體半徑ri = 95mm;下圓柱體半徑K = 150mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)的高度均h為50mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，上圓柱體、下圓柱體高度b為50mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，同軸線內(nèi)忍半徑為0.75mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，上圓臺(tái)、下圓臺(tái)中間間隙距離d為2mm。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站局部放電全站檢測(cè)用特高頻非對(duì)稱雙錐天線，其特征 在于，所述上圓柱體與所述上圓臺(tái)的上端面的半徑相同；所述下圓柱體與所述下圓臺(tái)的下 端面的半徑相同。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK105914452SQ201610099347
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年2月23日
【發(fā)明人】畢凱, 趙曉楠, 王美君, 肖馳, 孫源文, 侯軍, 馮部, 裴亞莉, 孔亮, 張啟紅, 王鑫, 程波濤, 胡岳, 汪劍文
【申請(qǐng)人】國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司, 上海交通大學(xué)