应用于局放检测的宽带小型化蝶形天线设计

贺俊铫,李相强,张健穹,王庆峰

(西南交通大学 物理科学与技术学院,四川 成都 610031)

局部放电是在局部范围内高电场集中条件下产生的,是导致高压电气设备绝缘失效的最主要原因。因此,局部放电必须在其发生的初期阶段就能够被检测,并得到妥善处理,以防止安全事故的发生。特高频法具有灵敏度高、抗干扰能力强、检测动态范围大的特点。通过特高频法检测局部放电脉冲激发的不稳定宽频带的电磁场信号,可以有效地分析局放信号强弱和类型,并且可以定位放电源[1-4]。

天线传感器是局放电磁信号的接收器,如何设计高灵敏度的天线传感器是特高频法的关键技术之一。特高频段的范围为300～3000 MHz,该频率范围可以避免高压电力设备电子开关和电晕放电带来的干扰,这些放电的电磁波频率处于300 MHz 以下[5]。大多研究对检测范围并没有严格要求,另外在实际工程中,由于复杂的电力设备检测环境,天线物理尺寸也会受到限制。因此,对天线传感器的设计要求为:高增益、宽频带和小尺寸。

以往的研究中,多种天线被广泛应用到局放检测中,除了蝶形天线,还有单极子天线、Hilbert 天线和Vivaldi 天线等[6-8]。相较于其他天线,蝶形天线具有宽频带、结构小型简单、辐射方向稳定和制作成本低的特点。印度尼西亚万隆电气工程和信息学学院对应用于局放检测的蝶形天线进行了广泛的研究[9]。他们通过改变天线贴片形状以调整频率,但遗憾的是,这些天线的频率范围较窄,不能应用于检测各种复杂的高电压设备。蝶形天线还被应用于探地雷达中,电子科技大学等团队设计出几种最低频率能达到100 MHz的探地雷达天线传感器,中国科学院大学设计出最低频率能达到几十MHz 的截臂开槽式蝶形天线,但是都存在尺寸较大的问题[10-12]。探地雷达的天线传感器应用给局放检测的传感器设计提供了一定的参考。

蝶形天线的结构简单易变,通过调整天线尺寸参数可实现对天线性能的优化,通过改进天线结构可拓宽频带。同时,还可以利用渐变式微带巴伦增加带宽。另外,有关天线小型化的方法主要有:电阻加载技术、槽缝技术等[13-15]。在介质基板下装载反射板,使蝶形天线单向辐射,可以有效增大辐射增益,提高天线接收空间电磁辐射信号的能力[16]。

针对天线宽频带、小型化和高增益的需求,本文设计研制了一款带宽为300～1800 MHz 可用于高电压设备进行局放检测的蝶形天线。蝶形贴片通过平行截断两侧的方式来减小物理尺寸,并弯折蝶形天线两侧边线和终端,然后装载矩形金属反射腔,最后对蝶形天线开缝并加载电阻,通过合理调节天线各处结构尺寸优化天线设计结果。通过测试,验证了天线设计的可行性,该蝶形天线可用于检测局部放电信号。

1 天线原理与设计

如图1 所示,传统蝶形天线由双锥天线演变而来,由两个三角形贴片组成。蝶形天线的特性阻抗Zo与三角形张角θ存在关系,其总臂长l与最低工作频率fl存在关系,两种关系如下:

图1 传统蝶形天线结构示意图Fig.1 Schematic diagram of traditional butterfly antenna structure

式中:Zo为特性阻抗;θ为天线张角;l为天线总臂长;fl为天线最低工作频率。由以上关系式可知,通过调节天线臂长l与张角θ可达到调整带宽和最低工作频率的目的。然而以上优化方式会很大程度地增加天线物理尺寸,不能满足小型化要求。

本设计基于小型化、高增益和宽频带的设计需求,尝试通过以下方式改进:

(1)天线辐射贴片结构优化;

(2)装载矩形金属反射腔;

(3)开缝加载电阻。

最终蝶形天线结构如图2 所示,主要组成结构包括:介质基板、辐射贴片、馈电线、矩形金属反射腔、电阻和固定螺孔。

图2 最终蝶形天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of final proposed butterfly antenna structure

1.1 天线辐射贴片结构优化

首先,天线的相对带宽为

式中,Q值为品质因数,其描述特定谐振电路结构的内在能耗特征。降低天线等效电路的Q值可以展宽频带。由于Q值与介质基板的电长度h/λ成反比。因此,通过适当增加介质基板厚度可展宽频带。

根据上文分析,传统共面蝶形天线尺寸偏大,频带较窄。本文将两蝶形贴片分别印刷在介质基板两侧。该天线采用结构为渐变直线的宽频带微带巴伦进行馈电,可以在超宽频带中获得良好的阻抗匹配。绝缘介质基板选用FR4 材料,其相对介电常数εr=4.3,介质损耗因数tanδ=0.025。

通过恰当地调节结构参数,传统蝶形天线能够工作在双谐振频率上,还可通过调节结构参数使双频靠近,从而展宽带宽。本文选择合适的宽度截断传统蝶形天线贴片两侧,减小天线整体的截面宽度。然后,调节两平行截线的宽度来改变天线输入阻抗,延长电流的路径,实现宽频带匹配。最后,适当弯曲天线终端以减少蝶形天线的反射电流。改进结构后的蝶形天线及其表面电流如图3 所示。

图3 蝶形天线改进结构及其表面分布电流Fig.3 Structure evolution of butterfly antenna and related surface current distribution

图3 清楚地展现了蝶形天线及其表面电流的分布。结果表明,减小两平行截线宽度相当于弯折天线的边沿线,可增长天线表面电流的路径。天线终端呈圆弧形,减小了电流在终端的反射,避免反射电流影响传输电流,因此辐射贴片上的电流多为行波电流,具有良好的辐射特性。

1.2 矩形金属反射腔

为了增大天线增益和实现单向辐射,本设计在蝶形天线上加载了矩形金属反射腔,且该反射腔还可以减小测试环境中其他金属对天线的影响。

矩形反射腔除了使天线单向辐射,还可以在不增加天线尺寸的情况下,降低最低工作频率,扩大带宽。天线辐射出来的电磁波与矩形反射腔耦合,金属腔上形成感应电流,则整个天线可近似谐振腔体。

图4 为矩形波导的基本结构,矩形波导的工作波长为:

图4 矩形波导结构示意图Fig.4 Schematic diagram of rectangular waveguide structure

式中:a、b分别为矩形金属腔体高和宽;m、n分别为矩形金属腔体高和宽上半周期的驻波数。谐振腔体的谐振频率为:

由于m、n决定着谐振模式,则可知加入矩形反射腔(如图5)可增加谐振点,通过调整高度可以优化带宽和辐射特性。

图5 金属反射腔结构Fig.5 Metal reflective cavity structure

通过仿真软件扫参分析,最终得到加反射腔前后天线的S参数对比如图6 所示。结果表明,在加反射腔后,原有的两个谐振频率减小,在低频处引入了两个谐振点,1 GHz 频率以下的S11明显减小,即反射损耗明显较小。虽然仍有小部分频带反射损耗较大,但是相对于未装载矩形金属反射腔的天线,装载矩形金属反射腔的蝶形天线带宽明显增大。

图6 装载反射腔前后的S11 曲线Fig.6 S11 curves before and after loading the reflector

1.3 开缝加载电阻结构

印刷天线开U 形缝隙是较常用的拓宽频带的方法。开缝可延长天线电流路径,降低天线频率,在保证物理尺寸不变的情况下实现宽带。但是,过多的开缝会影响天线的辐射性能,降低增益。因此,本文采用开单缝的形式,并且为了使电流路径尽可能长,该条宽1 mm 的单缝直接截断天线臂,并采用4 个电阻值完全相同电阻以并联的方式加载,保证电流能以行波方式传输,其结构如图7 所示。

图7 开缝加载电阻的天线结构示意图Fig.7 Schematic diagram of the antenna structure with slit loaded resistor

开缝加载电阻前后的阻抗曲线对比如图8 所示,该开缝加载的方式可将300～400 MHz 频率范围的输入阻抗降低到50 Ω 左右,从而在该频带完成较好的匹配。在300～1800 MHz 频带范围内阻抗波动变小,也有利于宽频带的匹配。开缝加载电阻前后天线的S11曲线如图9 所示,相比未开缝加载电阻的天线结构,天线开缝加载电阻后在300～1800 MHz 频带的S11值更小,整体小于-10 dB,反射损耗相对更小。

图8 开缝加载电阻前后天线的阻抗曲线Fig.8 Impedance curves before and after loading resistance on slit

图9 开缝加载电阻前后天线的S11 曲线Fig.9 S11 curves before and after loading resistance on slit

最终优化仿真得到的天线增益曲线如图10 所示。结果表明,增益曲线在国家电网标准的300～ 1500 MHz 频率范围内具有较大的增益,增益随着频率增大迅速变大,之后有一定的波动。在该增益条件下,可以较好地作为接收传感器来检测局部放电产生的电磁信号。经过仿真优化,可得到宽频带、小型化和高增益的天线传感器,其主要结构参数如表1 所示。

表1 蝶形天线主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of butterfly antenna

图10 增益曲线Fig.10 Gain curve

2 天线仿真与实验结果

图11 为本文设计的蝶形天线实物加工图。采用Agilent 公司的矢量网络分析仪E5061B 测量该天线的驻波比,仿真及测试的驻波比曲线如图12 所示。结果表明,测试曲线在低频段有一处波动,在高频段处与仿真曲线基本吻合。但是,仿真驻波比和测试驻波比都能在测试频段300～1800 MHz 区间满足小于2 的要求。

图11 蝶形天线实物图Fig.11 Butterfly antenna prototype

图12 天线仿真与测试驻波比曲线Fig.12 Simulated and measured VSWR curves of antenna

在微波暗室中测试该天线的辐射特性,按照天线长边与水平面竖直方向放置,如图13 所示。天线在1 GHz 仿真和测试的归一化方向图如图14 和图15 所示。由于测试条件有限,只能进行一定角度范围内的方向图扫描。图14 为水平面的方向图,在该面的仿真方向图半功率波瓣宽度可达到217°,测试方向图有一定偏差,但是在可测试的±80°范围内满足半功率波瓣宽度,仍可较大角度范围内接收放电辐射信号。图15 为俯仰面的方向图,在该面的测试方向图可较好地与仿真方向图吻合,两者半功率波瓣宽度都能达到100°,也可较大角度范围内接收放电辐射信号。

图13 天线辐射方向图测试照片Fig.13 Test photo of antenna radiation pattern

图14 水平面辐射方向图Fig.14 Radiation patterns in horizontal plane

图15 俯仰面辐射方向图Fig.15 Radiation patterns in pitch plane

3 结论

本文通过对传统蝶形天线进行结构改进,利用宽频带渐近线微带巴伦进行侧面馈电,相对于其他局放检测天线,简化了馈电结构。通过反射腔与蝶形天线的耦合作用和天线的开缝加载技术,既保证蝶形天线的小型化结构,又增加了蝶形天线的频率带宽,最终实现了一种可应用于局放检测的宽频带小型化天线。该天线工作频带为300～ 1800 MHz,相对带宽为142.8%;频带内增益最大为3.7 dBi,辐射方向图较为稳定。天线平面尺寸为200 mm×100 mm,最大尺寸为0.2λmax,满足小型化要求。综上,该天线具有高增益、宽频带等优势的同时,物理尺寸相对较小,能更好地适应局放检测的需求。