電纜局部放電寬帶平面螺旋天線設計

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。當電纜發生局部放電時，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對對數螺旋天線和阿基米德螺旋天線進行了仿真和分析，仿真結果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內，都具有較高的靈敏度和優越的性能，能夠滿足各項性能指標的要求。由于阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸，較大的增益和結構簡單的優點，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中占有極其重要的地位。X LPE 電纜的安全運行對整個電力系統的穩定至關重要，一旦發生故障，將引起所轄地區重大的停電事故，造成較大的經濟和社會影響[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展起來的一項新技術，其原理是利用裝設的天線傳感器接收由電纜局放陡脈沖所激發并傳播的超高頻電磁波來檢測局放信號。它的主要優點有：抗低頻干擾能力強，能對局放源進行定位，根據所測信號的頻譜，可以區分不同的缺陷類型，同時可進行長期現場監測，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置型和外置型兩類。內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置的差些，但是安裝靈活，不影響設備的運行，安全性高，最常用的是天線傳感器[4，5]。當電纜發生局部放電時，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螺旋天線兩種平面螺旋天線進行對比，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對對數螺旋天線和阿基米德螺旋天線進行了仿真和分析，仿真結果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內，都具有較高的靈敏度和優越的性能，滿足各項性能指標的要求。

2平面螺旋天線的設計

2.1 天線的性能要求

為了使天線較準確的采集到XLPE電纜發生局部放電時所激發的電磁波信號，必須滿足以下要求：

（l）可以較好的接收信號并且能抑制現場干擾信號；

（2）帶寬和中心頻率要合適，結構簡單，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，易于實現阻抗匹配[6]。

2.2 天線的設計

2.2.1等角螺旋天線

等角螺旋天線是一種頻率無關天線，天線的形狀由具有一公共軸和相同參數的等角螺旋線構成。天線具有由平衡饋電線饋電的兩個臂，螺旋線的等角臂形成在同一平面上。天線表面非導電介質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]。螺旋線的極坐標表達式為：

（1）

為螺旋線矢徑；為極坐標中的旋轉角；為時的起始半徑；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算：

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

用Ansoft HFSS軟件做出的天線輻射面如圖1。對數螺旋天線的各個尺寸為：，，匝數=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到極坐標原點的距離，為方位角，為起始角，為螺旋線起始點到原點的距離，為常數，稱為螺旋增長率。該天線的參數計算方法如下：

式中為天線外徑，為天線內徑，為上限工作頻率對應的波長，為下限工作頻率對應的波長。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，終端效應越小，波段持性較好。但太小，圈數太多，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。自補結構輸入阻抗理論值，實際結構輸入阻抗約為左右。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尺寸為：，，匝數=22.8，。

2.2.3巴倫的設計

平面螺旋天線是平衡對稱結構，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的地板，當微帶線的地板同微帶線本身都應用指數漸變，且變換至同樣的寬度時，就由初始端的非平衡饋電變成了平衡的平行雙線饋電結構，并且在此變換過程中實現了阻抗變換，因此這種指數漸變線結構巴倫就實現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構圖如圖3所示。

由于平面阿基米德螺旋天線的輸入阻抗為，所以在工作頻帶內由輸入端的變為輸出端的。其非平衡端

線寬可按微帶線寬計算，[10]。根據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，根據上述計算方法，可得巴倫的各項參數為，，，[11]。

3 仿真結果

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

天線的介質基板選取的是環氧樹脂板，它的介電常數，介質基板的厚度。

3.1駐波比

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

，式中：為天線的輸入阻抗；為傳輸特性阻抗。對數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，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作為這一天線的方向性系數。天線在某方向的增益G是它在該方向的

輻射強度同天線以同一輸入功率向空間均

勻輻射的輻射強度之比，即：

式中：U為天線在某方向的輻射強度；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，對數螺旋天線的三維增益方向圖如圖7所示：

由仿真結果分析可知，阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸、較大的增益、結構簡單的優點，并且便于安裝使用。因此本設計采用阿基米德螺旋結構做出了天線實物，并進行了現場測試，天線仿真圖圖8和實物圖圖9如下：

4 結語

根據XLPE電纜局部放電的特性，高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對對數螺旋天線和阿基米德螺旋天線進行了仿真和分析，仿真結果表明兩種天線在400MHZ～1GHZ有效工作頻帶內，都具有較高的靈敏度和優越的性能，能夠滿足各項性能指標的要求，并且設計了適合于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。

設計采用平行雙線漸變線巴倫經50同軸電纜饋電，天線具有超寬頻帶特性，經仿真和測量，在整個有效帶400MHZ～1GHZ內電壓駐波比小于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場干擾信號，易于實現阻抗匹配，測試達到了要求。

阿基米德螺旋天線具有較小的尺寸、較大的增益、結構簡單的優點，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，能夠滿足各項性能指標的要求，同時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。

參考文獻：

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