检测GIS局部放电的小型化多频带复合天线

01传统的阿基米德螺旋天线平面阿基米德螺旋天线自20世纪50年代被特纳（EdwinTurner）提出以来，由于其低剖面、不受工作频带限制、圆极化等特点，被普遍应用在通信方面，其曲线方程为式中：r为螺旋天线的半径；r0为螺旋天线的初始半径；a为螺旋增长率；

φ

为幅角。由式（1）可知，螺旋的半径随角度的变化均匀增加。图1a)为双臂阿基米德螺旋天线，另一臂的方程为图1

平面双臂阿基米德螺旋天线及其原理Fig.1

Planartwo-armArchimedeanspiralantennaanditsschematicdiagram图1b)表示双臂阿基米德螺旋天线的原理，在天线两臂中心的起始端施加相位差为180°的馈电方式，A和A′代表λ/π直径两端电流正向相反的电流元，经半圈后（弧长AA′约为λ/π）又使A、A′有180°的相位差，最终达到同相辐射的效果。在另一臂上的B点电流元到原点的距离与A点电流元到原点的距离相等，并且两者方向相同，因此两者同相；同理可知，B′点电流元与A′点电流元不仅同向也同相。因此，这张传统天线的主要辐射区域是围绕在可以称之为有效辐射带的周长近似等于波长λ的螺旋环带上。主辐射区域会伴随着频率的变化发生相应的变动，但是其方向图基本是维持不变的。对于平面阿基米德螺旋天线而言，其螺旋导线的内径2r0对天线的最高工作频率和阻抗匹配有着影响，一般取为式中：λh为最短工作波长。螺旋导线的外径2rM取决于最长工作波长，一般取周长为式中：λl为复合天线输入阻抗带宽的最低工作频率下的波长。由式（4）可知，平面阿基米德螺旋天线的工作频率越低，λl越大，螺旋导线的外径2rM越大，从而造成天线的尺寸过大，这与GIS局部放电特高频检测对天线小型化的诉求是背道而驰的。螺旋增长率a为通常螺旋增长率a的取值为0.12~1.20，a的取值大小代表着螺旋导线的曲率半径的大小，两者呈现正比关系。对于相同的外径，螺旋臂总长度大，终端效应小，带宽宽；然而如果a过小，则会造成圈数过多，这将会大大增加传输损耗，因此需要适中选择。02多频点宽频复合天线特性2.1

复合天线结构本文设计的复合天线由蝶形辐射单元、平面阿基米德螺旋导线以及正弦波状螺旋导线构成，使用指数渐变的微带巴伦来进行馈电。该复合天线基于平面阿基米德螺旋天线，再结合曲流技术对平面阿基米德螺旋天线进行正弦波曲折化的处理，从而实现天线的小型化；采用多个辐射单元技术，在正弦波状螺旋导线的终端进行蝶形加载，不仅能实现天线的多频段，还能使得螺旋终端的反射电流大幅降低，从而起到改善螺旋天线的低频特性的效果，有效地增加带宽。1）正弦波曲折臂设计。由式（3）（4）可知，螺旋天线接收的最低工作频率所对应的波长决定阿基米德天线外圈的螺旋臂长，螺旋天线接收的最高工作频率所对应的波长决定阿基米德天线内圈的螺旋臂长。本文设计的复合天线，在确保天线高频特性的前提下，其中的螺旋天线内6圈仍采用标准的平面阿基米德螺旋导线，但是自第7圈开始对天线作正弦波曲折化处理，从而实现复合天线的工作带宽相对均匀地向低频靠近的效果。另外，为了实现阻抗匹配，本文采用了自互补结构，即阿基米德螺旋导线的宽度与两条螺旋导线之间的距离相等。2）蝶形辐射单元加载。本文利用不同谐振频率辐射单元的复合，在正弦波状螺旋导线的终端进行蝶形加载，不仅能实现天线的多频段，还能有效增加天线的带宽。蝶形天线具有剖面低、频带宽等特性，张角θ0与臂长l是决定其性能的2个重要因素，图2所示为蝶形天线的结构。天线的工作频带与天线的张角θ0呈现正比关系，综合考虑对于天线的小型化要求，其张角θ0值取60°~150°；此外，蝶形天线的臂长l与天线的低频特性息息相关，蝶形天线的臂长l增加时，天线的低频特性也会相应变得更加优越，根据经验公式，蝶形辐射单元的臂长为图2

复合天线示意Fig.2

Schematicdiagramofcompositeantenna式中：Zc为复合天线的特性阻抗，为本文根据仿真优化结果，设计的复合天线综合考虑了天线辐射性能和小型化、宽带化（包含多频段）等关键因素，得到复合天线的各个参数。复合天线的螺旋圈数为8圈，螺旋内径2r0=4mm，螺旋外径2rM

=105.6mm，螺旋增长率a=0.65，正弦波周期数n=40，正弦波振幅e=0.6mm，蝶形辐射单元的张角θ0=148.2°，臂长l=94mm。根据上述参数采用PCB印刷制作出复合天线实物，图3为该复合天线的辐射面示意，天线辐射面印制在厚度为1.6mm、材质为FR4_epoxy的基板上。图3

复合天线辐射面Fig.3

Radiationsurfaceofcompositeantenna3）馈电巴伦的设计。复合天线是平衡对称结构，它们通常采用同轴电缆进行馈电，然而同轴电缆是不平衡的，因此必须通过巴伦馈电。巴伦不仅能起到不平衡-平衡变换器的作用，同时还兼有阻抗变换的功能。为使用同轴电缆对复合天线进行馈电，本文采用微带巴伦进行馈电，其中微带巴伦的指数是渐变的，图4为该结构示意。微带线与接地板都为指数渐变式，如果微带线的接地板指数的宽度可以渐变到与上侧微带线相同，那么就能够达到由输入不平衡端50Ω阻抗到输出平衡端120Ω阻抗的变换。图4

指数渐变微带巴伦结构示意Fig.4

Schematicdiagramofmicrostripbalunstructurewithexponentialgradient根据上述已确定的复合天线尺寸，制作了指数渐变微带巴伦，该巴伦印制在FR4_epoxy介质基板上，基板的厚度为2mm，巴伦长度为50mm，宽度为26mm，其实物如图5所示。图5

指数渐变微带巴伦实物Fig.5

Imageofexponentialgradientmicrostripbalun连接制作好的复合天线与指数渐变微带巴伦，馈电方式为射频连接器SMA-KE直角插座对巴伦，复合天线的整体实物如图6所示。图6

复合天线实物Fig.6

Imageofcompositeantenna2.2

复合天线驻波比工程上通常用电压驻波比（VSWR）来反映天线接收信号的反射，其值为（–∞,1）。图7是采用天线仿真软件HFSS得到的复合天线驻波比曲线（扫频范围设置为0.3~3.0GHz）。图7

复合天线仿真驻波比曲线Fig.7

SimulatedVSWRcurveofcompositeantenna从图7可以看出，复合天线在频段范围0.7~3.0GHz时，其VSWR的值小于5；在频段范围0.82~0.87GHz、1.02~1.33GHz、1.62~2.01GHz、2.50~2.78GHz时，其VSWR值小于2。图8为实测复合天线及小型化螺旋天线驻波比曲线，测试结果显示，在频段范围0.75~0.9GHz、1.23~1.48GHz、1.78~2.12GHz、2.42~2.79GHz时，复合天线的VSWR值小于2，且具有较宽的频带范围，能够有效地实现对放电信号的接收。对比图7和图8，可以看出复合天线在1GHz频段以下的实测结果优于仿真结果，实测结果与仿真结果基本一致；复合天线驻波比实测结果优于小型化螺旋天线实测结果，这验证了天线设计的合理性。图8

天线实测驻波比曲线Fig.8

MeasuredVSWRcurveofcompositeantenna2.3

复合天线方向图辐射方向图代表了复合天线在不同辐射和接收方向上的相对强度。因为复合天线具有轴向的旋转对称性，所以本文只测试了复合天线在如图9所示的6个频点上的辐射方向图，方向图以极坐标的形式表示。图9显示了复合天线在不同中心频率下天线E面（phi=0°）和H面（phi=90°）的辐射方向图。由辐射方向图可知，天线在整个频段范围内，都拥有着较好的双向辐射特性；E面方向图和H面方向图分别呈现出近似8字形和圆形，这说明该复合天线在水平方向是全向的，能够满足天线对方向性的要求；此外，复合天线的方向图在频率升高的过程中发生了畸变，可能是由于在频率升高的过程中，复合天线在工作过程中，可以接收和辐射更高频次的电磁波模。图9

复合天线的辐射方向图Fig.9

Radiationpatternofcompositeantenna2.4

复合天线增益表1为复合天线和小型化螺旋天线的实测增益对比结果记录表，由表可知，增益的数值与电磁波频率总体呈正比关系，从300MHz的–24.2dB增大到3GHz的6.5dB。一般说来增益越大，复合天线对局部放电特高频微弱信号的检测灵敏度就越高。表1

增益测试记录Table1

Recordofgaintest03复合天线实测研究本文搭建了252kV的GIS局部放电实验平台对复合天线检测超高频局放信号的性能进行验证，试验系统主要包括：252kVGIS模型、250kV局放电源、宽频带示波器、特高频天线传感器。为了模拟GIS的针-板局部放电模型，在高压导杆上放置金属尖刺突出物，并且在GIS中充入压强为0.4MPa的SF6气体，缺陷模型及安装示意如图10所示，图11为GIS局放实验的接线。图10

GIS高压导体表面针板放电模型Fig.

10PinplatedischargemodelofGIShighvoltageconductorsurface图11

局部放电试验接线示意Fig.11

Wiringdiagramofpartialdischargetest本文使用多频点复合天线与外置小型化螺旋天线进行对比测试，将它们均放置于盆式绝缘子处。小型化螺旋天线尺寸为132.6×97.0×51.0mm，复合天线尺寸较小，仅为114.0×96.0×51.0mm。当对GIS缺陷模型加压至30.2kV时，图12为同时使用2种天线接收到的局放信号波形，其中复合天线所测得信号幅值为51.7mV，小型化平面螺旋天线所测得信号幅值为61.3mV。相比小型化平面螺旋天线，复合天线检测到的局部放电信号的幅值稍小。本文设计的复合天线检测频带比小型化平面螺旋天线宽，能够接受UHF信号中更多频带的能量，但是各频段下电磁波折反射的能量较小。复合天线可以清晰有效地检测到GIS设备中的局部放电信号，并且其信噪比较高，能够有效地辨别噪声干扰和局放信号，能够满足UHF信号检测要求。图12

实测的UHF信号波形Fig.12

MeasuredUHFsignalwaveform

04结论本文通过研究检测GIS局部放电的多频点宽频复合天线，得到结论：1）采用曲流技术对阿基米德天线双臂进行正弦波曲折化处理可以延长天线臂的有效电长度，从而实现天线的小型化设计；采用多个辐射单元技术，在正弦波状螺旋导线的终端进行蝶形加载，可以拓宽带宽，实现多频；复合天线构造简单，尺寸较小，仅为114.0×96.0×51.0mm。2）复合天线可以同时满足小型化、高增益和多频带的特性要求，在0.75~0.0.9GHz、1.23~1