電力電纜局放檢測的超高頻傳感器天線設計

魯 創，任 萍

應用研究

電力電纜局放檢測的超高頻傳感器天線設計

魯 創1，任 萍2

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以檢測電力電纜局部放電的超高頻傳感器天線為研究對象，在常用的UHF天線中阿基米德螺旋天線具有較寬的工作頻帶以及優良的低頻工作特性，因此本文用ANSYS HFSS設計了一款用于電力電纜UHF傳感器的阿基米德螺旋天線。研究了不同外徑阿基米德螺旋天線的S11參數，通過改進阿基米德螺旋天線兩臂結構對S11參數進行優化，結果表明優化后的阿基米德螺旋天線工作頻帶較寬、S11參數遠低于-10 dB。這為用于電力電纜的UHF傳感器天線設計提供了一定的理論依據。

阿基米德螺旋天線 超高頻天線 局部放電 傳感器

0 引言

電力電纜作為傳輸電能的主要介質，常用于城市地下電力線路鋪設，是電力系統網絡的重要組成部分[1]。若電力電纜長1期存在局部放電,會造成電纜絕緣擊穿。因此對電力電纜進行局部放電信號監測必不可少。超高頻檢測法以其良好的靈敏度和抗干擾能力，成為局部放電檢測的主要方式[2-4]。

目前，針對電力電纜局部放電在線監測領域使用超高頻檢測系統的研究較少，考慮到GIS與電力電纜絕緣劣化周期存在差異，不能簡單的將檢測GIS局部放電超高頻傳感器的研究成果應用于電纜設備。電纜發生局部放電信號頻率較低且絕緣劣化周期長，更加關注于絕緣劣化中后期，檢測頻帶范圍更寬，UHF天線應能夠接收到寬頻帶PD信號。因此，如何拓寬天線低頻工作頻帶以及提高工作頻帶內信號傳輸效率顯得尤為重要。文獻[5]設計了頻帶分別為350～750 MHz外置式振子天線和340～440 MHz微帶天線，其工作帶寬較窄。文獻[6]根據Hilbert分形原理設計了一種四階Hilbert分形天線，達到小型化的同時有多段工作頻端，單個工作頻段偏窄。文獻[7]設計的單極子天線采用RLC加載技術，滿足其駐波比小于2.5的阻抗帶寬比為172%，設計工作頻帶為30～440 MHz，高度0.4 m，該天線頻帶參數雖然達到寬帶化指標要求，但頻段內增益不足，僅為-32dBi，且天線外形尺寸較大，無法在電力電纜檢測場景下應用。文獻[8]根據同軸結構設計一種同軸波導天線，外形尺寸符合超高頻傳感器使用場景要求，工作頻帶范圍1～3.5 GHz，由于電力電纜PD信號頻率集中在1GHz以下，因此該天線接收的PD信號強度較弱，影響后級采樣電路靈敏度。文獻[9]設計并分析了不同包角下的等焦螺旋天線帶寬，一款等角螺旋天線和小型化阻抗變換器，天線在頻帶為0.9GHz～3GHz間的S11參數小于-10 dB，具有超寬的工作頻帶。由于螺旋天線外形只由角度決定，不包含線性長度，天線特性不受頻率變化影響，因此可以得到較寬的頻帶范圍。

本文選擇阿基米德螺旋天線作為UHF傳感器天線，通過ANSYS HFSS射頻仿真軟件仿真分析不同外徑下阿基米德螺旋天線的S11參數，這對如何選取合適的阿基米德螺旋天線尺寸起到關鍵作用。通過對天線兩臂結構進行改進，然后將改進后的阿基米德螺旋天線與巴倫組合成整體，得到工作頻帶內具有S11參數遠小于-10 dB的天線模型。利用尖端放電試品模擬局部放電，使用優化后的阿基米德螺旋天線進行局部放電信號采集實驗，對用于檢測電力電纜局部放電的超高頻傳感器前端阿基米德螺旋天線設計進行實驗驗證。

1 阿基米德螺旋天線設計

1.1 阿基米德螺旋天線參數

依據天線理論中的部分參數指標來形容超高頻傳感器天線性能。用來定義天線性能的參數包括：駐波比、S11參數、輸入阻抗和增益等[10]。天線的駐波比與S11參數均表示天線的信號傳輸效率，可用來表征天線的工作帶寬。而天線與饋線的阻抗匹配優劣由天線的輸入阻抗決定，本文取天線輸入阻抗與S11參數為指標對UHF天線性能展開研究。

1) 輸入阻抗

天線的輸入阻抗為天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值，計算公式為：

式中，Z為天線輸入阻抗，U為饋電端輸入電壓，I為輸入電流。天線輸入阻抗為純電阻表示天線與饋線連接達到最優狀態，其值與饋線特征阻抗相等，此時饋線終端沒有功率反射。工程領域一般不用輸入阻抗描述天線帶寬，而是由天線電壓駐波比或S11參數的最大允許值決定[11]。

2) S11參數

超高頻天線在空間中接收的電磁波信號，一部分會經傳輸線傳到后級電路進行處理，另一部分會在交界處發生反射而損失掉[12]。為從數值上衡量天線和與其相連傳輸線的匹配狀態，定義電壓反射系數如下所示:

Z為天線輸入阻抗，Z為傳輸線阻抗。天線的回波損耗反映天線輸入阻抗與傳輸線阻抗的匹配程度，決定了天線輸入能量和輸出能量的效率，工程領域常用11參數表示回波損耗(RL),計算公式為:

為電壓反射系數，當S11=-10 dB時，表示天線阻抗達到良好匹配，僅有10%的輸入功率反射到饋電端口。

1.2 阿基米德螺旋天線結構

本文采用的天線本體是雙臂阿基米德螺旋天線，如圖1所示。阿基米德螺旋天線一臂的曲線方程為：

式中0是初始半徑，為常數表示螺旋增加率，為輻角。

另一臂為前一臂旋轉180°，曲線方程為：

兩臂的起點對應的是天線的內徑r0，天線工作頻帶的高頻端受螺旋線起始內徑影響，關系式為：

圖2 不同外徑下的阿基米德螺旋天線

由圖3所示，隨著天線外徑尺寸增加，11參數曲線振蕩幅度越小，尺寸越大的阿基米德螺旋天線11參數變化更加平穩，穩定后的11參數值約-10 dB，此時天線阻抗也趨于穩定，約為110 Ω，此時具有最優阻抗匹配特性，對信號的傳輸效率達到最高。結果表明天線11參數直接影響天線工作頻段。但滿足用于電力電纜的UHF傳感器阿基米德螺旋天線尺寸較大，不適于安裝，因此本文對阿基米德螺旋天線的雙臂進行改進。

1.3 改進平面阿基米德螺旋天線設計

基于上述對阿基米德螺旋天線尺寸、11參數和阻抗分析，本文采用改進阿基米德螺旋天線兩臂結構對11參數進行優化。如圖4所示，天線尺寸一定情況下，改進后天線雙臂等效于增加天線外圈周長，優化天線低頻段S11參數[14～16]。由于最外圈兩臂上對稱的兩點上電流相位特性保持不變，所以最外圈螺旋線的正弦加載不會對阿基米德螺旋天線增益和方向性造成破壞[17]。最后對螺旋線線寬以及線間距進行選擇后，得出最佳的設計方案。

圖3 天線特性與尺寸關系

圖4 改進阿基米德螺旋天線

由圖3b可知螺旋天線在頻帶上最小11參數約為-10 dB，原因為仿真天線的饋電端口電阻為50 Ω，等同于將對稱平衡結構的天線直接連接50 Ω非平衡結構同軸電纜，此時為非平衡饋電狀態，阻抗匹配效果差，因此使11參數劣化[18]。為拓寬天線11≤-10 dB的頻帶，本文設計一款漸變微帶巴倫。

1.4 巴倫設計

采用在天線與同軸電纜間連接漸變微帶巴倫的形式提高天線與同軸電纜間阻抗匹配。漸變微帶巴倫的漸變微帶線電長度越長，饋電平衡性越好，傳統巴倫從天線后方饋電，本文設計的漸變微帶巴倫，將巴倫曲折處理，使其成為側面饋電，大大降低了天線高度，在滿足降低UHF傳感器高度的同時拓寬了天線11≤-10 dB的工作頻帶[19～20]。曲折化漸變微帶巴倫如圖5所示。巴倫阻抗匹配后輸入阻抗仿真結果如圖6所示，阻抗值由110 Ω下降到50 Ω，在0.3 GHz～1.9 GHz頻率范圍內，阻抗值符合設計期望。如圖7所示，實際測試結果中，在設計區間內電阻值基本穩定在50 Ω，電抗為0 Ω，輸入阻抗可近似認為純電阻輸入，達到理想匹配要求。

圖5 微帶漸進線巴倫

圖6 巴倫匹配后的輸入阻抗仿真圖

圖7 巴倫匹配后的輸入阻抗實測圖

2 改進阿基米德螺旋天線性能參數

2.1 S11參數

利用ANSYS HFSS射頻仿真軟件建立改進的雙臂阿基米德螺旋天線與巴倫的仿真模型，將兩個元件建立連接后仿真分析其11參數。設置掃頻范圍為0～2 GHz，中心頻率為1 GHz，步長為0.01 GHz。對阿基米德螺旋天線仿真所測11參數曲線如圖8所示。從圖中可以看出，在0.35 GHz～3 GHz的頻率范圍內11≤-10 dB。

圖8 仿真螺旋S11參數曲線

2.2 天線的增益和方向圖

天線的方向性表征天線與其所在的不同空間坐標接收或發出信號的性能，表示天線方向性越好輻射或接收信號的能力強弱。天線的方向圖主瓣越窄，增益越高。由于阿基米德螺旋天線具有軸向對稱特性，本文選取了9個頻率點，分別為500 MHZ，800 MHZ，1 GHz，1.2 GHz，1.5 GHz以及2 GHz進行測試，坐標采用極坐標的形式，如圖9所示。天線在所測頻帶具有良好的雙向性，主瓣中輻射功率達到最大值的一半時，兩個矢徑間夾角稱為主瓣寬度，主瓣寬度用來表示天線功率輻射集中程度，方向圖越尖銳，代表天線輻射越集中。

圖9 天線方向圖

考慮到實際應用場景，天線在主向上輻射功率的集中程度通常以增益G表示，單位為分貝dB。針對UHF傳感器設計需求，傳感器應該對局部放電信號有效感知并接受，將局部放電信號傳遞到后級進行處理，為盡可能減少天線損耗，需要設計傳感器的期望增益盡可能高，改進埃及米的阿基米德螺旋天線增益如表1所示。

表1 增益記錄表格

加工出天線實物，巴倫一端連接螺旋臂，另一端焊接SMA連接器，如圖10所示。通過NanoVNA矢量網絡分析儀測得實際天線11參數，如圖11所示。改進后的阿基米德螺旋天線在0.5 GHz～1.9 GHz的范圍內駐波比11≤-10 dB，最低值達到-27 dB，滿足工作頻帶寬、傳輸效率高的特點。為驗證改進阿基米德螺旋天線實用性能，對其進行實驗分析。

圖10 改進阿基米德螺旋天線實物圖

圖11 改進阿基米德螺旋天線實測S11參數

3 實驗驗證

為進一步驗證傳感器的實用性，本文利用上文的UHF傳感器改進阿基米德螺旋天線對實際局部放電信號進行接收實驗測試。

為模擬實際電力電纜發生局部放電現象,采用如圖12所示的局部放電模型試品模擬尖端缺陷進行實驗。放置UHF傳感器與超聲波局放傳感器距離試品相等位置，50 Ω同軸傳輸線連接包絡檢波電路，檢波輸出連接至數字示波器輸入通道，示波器帶寬100 MHz，最大采樣率1 GS/s。施加在放電模型上的電壓由0 V逐漸升高到9 kV，信號通過改進阿基米德螺旋天線采集后經自制的包絡檢波緩沖電路連接示波器，采集的PD信號如圖13所示。超高頻傳感器與超聲波傳感器雙通道同時采集PD信號，經自制檢波電路連接采集系統保存數據。采集的PD數據如圖14所示。

圖12 尖端缺陷實驗平臺

圖13 改進阿基米德螺旋天線局部放電信號采集圖

示波器每格為100 mV，通過示波器所示改進阿基米德螺旋天線采集PD信號的幅值高達210 mV，干擾噪聲幾乎都被包絡檢波濾除，局部放電特征信號辨識度高，證明了優化后的阿基米德螺旋天線在較寬的工作頻帶內S11≤-10 dB，可以把局部放電信號有效地轉換成終端接收信號。

圖14 超高頻傳感器(藍)和超聲波傳感器(綠)采集圖

由圖14可知，兩傳感器對采集到的局部放電特征信號具有同時性，證明了優化阿基米德螺旋天線完全可以滿足對分布于0.3 GHz～3 GHz的PD信號采集要求。

4 結論

本文根據電力電纜局部放電檢測需求，設計了一款工作頻帶寬、S11參數低的阿基米德螺旋天線，經過仿真分析和實驗驗證，得出結論如下:

1）通過分析得到阿基米德螺旋天線外徑與S11參數、工作頻帶之間的關系，對如何選取阿基米德螺旋天線尺寸起到關鍵作用。本文通過改進阿基米德螺旋天線兩臂結構、連接漸變微帶巴倫的方式對S11參數進行優化，優化后阿基米德螺旋天線在0.5 GHz～1.9 GHz的頻帶間S11參數≤-10 dB，最低值達到-27 dB。

2）通過尖端缺陷模型模擬電力電纜局部放電信號采集實驗，超高頻傳感器與超聲波傳感器雙通道采集的局部放電信號具有同時性，優化后的阿基米德螺旋天線對分布于0.3 GHz～3 GHz的局部放電信號達到了較高的采集率。通過示波器分析優化阿基米德螺旋天線采集到的局部放電信號波形，PD信號幅值高達210 mV，對局部放電信號辨識度較高。因此，優化后阿基米德螺旋天線適用于檢測電力電纜局部放電。

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Design of UHF sensor antenna for partial discharge detection of power cable

Lu Chuang1, Ren Ping2

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TP212

A

1003-4862（2022）12-0011-06

2022-09-02

魯創（1987-），男，工程師。主要從事開關電器的研究。E-mail: luchuang712@163.com