CN104868240A - 一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，属于电气设备绝缘状态在线监测技术领域。该天线的结构包括天线金属辐射贴片、介质基板、金属接地板、微带馈线、SMA接头。本发明的天线具有频带宽、驻波比小、便于阻抗匹配、制作成本低、安装方便、不影响监测设备的正常运行等优点，能够满足变电站用开关柜局部放电超高频在线监测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备绝缘状态在线监测技术领域，特别涉及一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线结构。
背景技术
开关柜作为电网中大量运用的设备，又与用户供电直接相关，其运行可靠性直接关系到供电质量和供电可靠程度。在高压电力***中，由于制造工艺、运输、装配等原因导致的不可避免的绝缘劣化会产生局部放电，当绝缘劣化和局部放电水平达到一定程度时，可能会引起开关柜事故，给国民经济造成重大损失。因此，对开关柜局部放电进行在线监测，对于保障开关柜的安全可靠运行具有十分重要的意义。
开关柜中的局部放电伴随有一个脉冲电流的产生，其上升沿能达到纳秒级，发射的电磁波频谱很宽，包含有超高频信号(频率在300MHz～3000MHz的范围内)。基于此现象，可以应用超高频法对开关柜内的局部放电信号进行在线监测。此外，该方法还具有抗干扰性强、灵敏度高和准确性好等优点。
超高频天线作为接收局部放电信号的传感器，是超高频监测***的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着超高频信号的接受及其后续的信号处理，而性能较好的超高频天线应当具有频带宽、驻波比小、增益大、方向性好等特点。研究表明，内置式天线传感器灵敏度和抗干扰能力均比外置式天线传感器强，因此，选择内置天线传感器比较好。而对于内置天线传感器来说，其还应具有合理的尺寸和形状，且其安装不能影响设备内部的绝缘。目前用于开关柜局部放电在线监测的超高频天线传感器普遍存在以下不足：检测频带较窄，损失了较多的局部放电信息；天线增益较小，使得天线传感器灵敏度较低，不能捕捉开关柜内部微弱的局部放电信号。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有监测开关柜局部放电的超高频天线监测频带较窄和增益较小的缺点，提供了一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线传感器，其具有频带宽、驻波比小、增益大、方向性好、灵敏度高、抗干扰能力强等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：
本发明提供的一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，包括金属辐射贴片、介质基板、微带馈线、金属接地板和馈电端口，其中所述介质基板的背面印刷有金属接地板，所述介质基板的正面印刷有金属辐射贴片和微带馈线，所述金属辐射贴片和微带馈线的一端连接，微带馈线的另一端延伸至介质基板的底部，在所述介质基板的底部靠近微带馈线的部位设置有馈电端口，在所述馈电端口内安装SMA接头，SMA接头的内导体连接微带馈线，SMA接头的外导体连接金属接地板。
所述本发明微带天线采用微带线馈电方式。
在本发明的优选实施方式中，所述介质基板为长方形板状，其宽度范围为100mm～250mm，长度范围为150mm～270mm。其材料为介电常数为2.5～10.2、厚度为1mm～5mm的环氧树脂。
为了使本发明的效果更佳，所述金属辐射贴片为矩形，宽度为80mm～150mm，长度为100～170mm，且切去该矩形的四个角。通过将矩形辐射贴片的四个角切去的方式加入渐变结构。挖去所述金属辐射贴片的顶部中间部分和中间部位，实现了天线辐射贴片的小型化设计。所述金属接地板上方的中间部位开设有U型槽，用以改善天线传感器带宽性能。
所述金属辐射贴片、微带馈线和金属接地板的材料为铜或铝或银，厚度为5um～50um，并在其上表面镀有厚度为3um～12um的锡层，以便焊接SMA接头。
本发明的微带天线传感器在变电站、发电厂开关柜内部安装方便、抗干扰能力强、频带宽、增益大、方向性好，能够有效接收开关柜内部来自各个方向的微弱的局部放电超高频信号波形，进而提高实时监测结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明的超高频宽带微带天线的结构示意图；
图2为本发明的超高频宽带微带天线的正面示意图；
图3为本发明的超高频宽带微带天线的背面示意图；
图4为本发明的超高频宽带微带天线仿真驻波比曲线图；
图5为本发明的超高频宽带微带天线实测驻波比曲线图；
图6为本发明的超高频宽带微带天线在500MHz时的实测辐射方向图；
图7为本发明的超高频宽带微带天线在750MHz时的实测辐射方向图；
图8为本发明的超高频宽带微带天线在1000MHz时的实测辐射方向图；
图9为本发明的超高频宽带微带天线在1250MHz时的实测辐射方向图；
图10为本发明的超高频宽带微带天线在1500MHz时的实测辐射方向图；
图中：1-金属辐射贴片，2-介质基板，3-微带馈线，4-金属接地板，5-馈电端口，6-U型槽。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
如图1所示，一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，包括金属辐射贴片1、介质基板2、微带馈线3、接地板4、馈电端口5。
如图2所示，所述微带天线的金属辐射贴片1和微带馈线3印刷在介质基板2的正面，且辐射贴1与微带馈线3一端相连，微带馈线3另一端延伸至介质基板2的底部，在介质基板2的底部靠近微带馈线3的部位设置馈电端口5，馈电端口5处安装同轴线SMA接头，SMA接头的内导体与微带馈线3连接。其中，为了拓展微带天线传感器的带宽性能，通过将金属辐射贴片1的四个角切去的方式加入渐变结构；为了实现金属辐射贴片1的小型化设计，将天线辐射贴片1的顶部中间部分和中间部位挖去。
如图3所示，所述微带天线的金属接地板4印刷在介质基板2的背面，SMA接头的外导体在馈电端口5处连接金属接地板4。其中，为了拓展微带天线传感器的带宽性能，在金属接地板4上方的中间部位开有U形槽6。
实施例1
一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线：
选择介电常数为4.4、厚度为2mm的FR4环氧树脂板作微带天线介质基板，介质基板的长为247mm，宽为208mm。微带馈线的宽度为长度为109.2mm，宽度为3mm。辐射贴片的长度为104.25mm，宽度为110.5mm，矩形辐射贴片顶部切去的两个直角三角形的短边为6.5mm，长边为13mm，辐射贴片顶部中间部分挖去矩形长度为19.5mm，宽度为16mm，辐射贴片中间部位挖去的矩形的长宽均为52mm。接地板的长度为105.3mm，宽度为208mm；接地板顶部中间部位U形槽的长度为2.5mm，宽度为1.9mm。辐射贴片、微带馈线和接地板的材料为厚度为13um的铜，且其表面均镀有厚度为5um的锡层。
运用HFSS软件对该超高频宽带微带天线的驻波比特性进行了仿真测试，所得的超高频宽带微带天线仿真驻波比曲线如图4所示；对该微带天线进行加工实测，得超高频宽带微带天线实测驻波比曲线如图5所示。对比两图可以看出，曲线基本吻合。由图5可以看出，该天线传感器在560MHz～1500MHz的宽频带范围内满足驻波比小于2，能够满足变电站用开关柜局部放电超高频在线监测的要求。
图6-图10所示为超高频宽带微带天线分别在500MHz、750MHz、1000MHz、1250MHz、1500MHz时的实测辐射方向图，从图中可以看出本实施例在整个频段内具有很好的方向性，能够满足变电站用开关柜局部放电超高频在线监测的要求。
表1为超高频宽带微带天线分别在500MHz、750MHz、1000MHz、1250MHz、1500MHz时的实测增益，由表可以看出本实施例在整个频段内具有较大的增益，能够满足变电站用开关柜局部放电超高频在线监测的要求。
表1超高频宽带微带天线实测增益值表
| 频率(MHz) | 增益值(dB) |
| 500 | 1.1 |
| 750 | 2.9 |
| 1000 | 3.4 |
| 1250 | 2.15 |
| 1500 | 2.05 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：包括金属辐射贴片(1)、介质基板(2)、微带馈线(3)、金属接地板(4)和馈电端口(5)，其中所述介质基板(2)的背面印刷有金属接地板(4)，所述介质基板(2)的正面印刷有金属辐射贴片(1)和微带馈线(3)，所述金属辐射贴片(1)和微带馈线(3)的一端连接，微带馈线(3)的另一端延伸至介质基板(2)的底部，在所述介质基板(2)的底部靠近微带馈线(3)的部位设置有馈电端口(5)，在所述馈电端口(5)内安装SMA接头，SMA接头的内导体连接微带馈线(3)，SMA接头的外导体连接金属接地板(4)。
2.根据权利要求1所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：所述介质基板(2)为长方形板状。
3.根据权利要求1所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：所述金属辐射贴片(1)为矩形，且切去该矩形的四个角。
4.根据权利要求1或2或3所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：挖去所述金属辐射贴片(1)的顶部中间部分和中间部位。
5.根据权利要求1所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：所述金属接地板(4)上方的中间部位开设有U型槽(6)。
6.根据权利要求1或2或3或5所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：所述金属辐射贴片(1)、微带馈线(3)和金属接地板(4)的材料为铜或铝或银，并在其上表面镀有锡层。
7.根据权利要求1、2或3所述一种用于开关柜局部放电监测的超高频宽带微带天线，其特征在于：所述介质基板(2)的材料为介电常数为2.5～10.2的环氧树脂。
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