[发明专利]一种Hilbert分形超高频天线的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于采集电力设备局部放电超高频信号的四阶Hilbert分形天线的设计及优化方法，属天线技术领域。

背景技术

随着电力系统的迅速发展，电力设备的安全稳定运行越来越受到人们的重视。近年来，电力设备事故时有发生，而局部放电是事故发生前期的一般特征。因此，利用局部放电在线监测装置对电力设备的局部放电信号进行实时监测，使设备维护人员及时了解设备的运行情况，及时发现并排除电力设备的潜在缺陷，对避免电力设备事故的发生具有重要意义。

Hilbert分形天线是局部放电在线监测装置中常用的局部放电信号接收元件，Hilbert分形天线是目前所有天线类型中的典型设计，由介质基板、导线层和接地板构成，其中导线层为Hilbert分形形状。图1是一至四阶Hilbert分形形状示意图，Hilbert分形可以描述为：将正方形等分成四个一阶小正方形，依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的正方形中心，得到一个分型单元（即一阶Hilbert分形）；将每个一阶小正方形分别分割为四个二阶小正方形，重复上述过程，生成的高阶分形单元开口方向遵守一定规则（图1中左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元的开口方向依次为：左、下、下、右），并按照特定的顺序连接分型单元的开口（图1中为依次连接左下角、左上角、右上角、右下角的高阶分形单元开口），最终就得到一条可以填满整个正方形的曲线，这就是Hibert曲线。Hilbert分形天线的导线层构成的高阶分形曲线中，成对的两个边为平行双导线（图2中的细实线a），连接平行双导线的边为短路终端（图2中的粗实线b），将分型单元连接为完整曲线的边为附加导线段（图2中的粗虚线c）。

分形Hilbert天线比偶极子天线更适合于多频带或宽带应用场合；另一方面如果要保持同样的谐振频率，Hilbert分形天线长度约为同样偶极天线的1/7，因此占用空间很小。

目前，用于采集电力设备局部放电超高频信号的Hilbert分形天线按阶数分类主要有两种，一是三阶Hilbert分形天线，二是四阶Hilbert分形天线。但现有的Hilbert分形天线均存在明显的设计缺陷：Hilbert分形天线导线段的平行双导线、短路终端和附加导线的长度都是相等的，忽视了不同类型的导线段对信号所产生的影响的差异，因此不能获得理想的采集效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种Hilbert分形超高频天线的设计方法，以改善Hilbert分形天线对电力设备局部放电超高频信号的采集效果。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种Hilbert分形超高频天线的设计方法，所述方法在介质基板的两侧分别设置接地板和Hilbert分形导线层，确定导线层内导线段各部分尺寸时将平行双导线、短路终端和附加导线段的长度列为参数，同时考虑导线宽度、介质厚度和介质介电常数，建立天线的谐振频率和驻波比的计算方程，并在谐振频率和驻波比的可用范围内对上述参数进行优化，得到三类导线段长度及导线段宽度的最佳值，最后根据优化结果制作Hilbert分形天线。

上述Hilbert分形超高频天线的设计方法，所述Hilbert分形超高频天线为四阶，其具体设计步骤如下：

a.按传统定义将天线的导线段划分为64对平行双导线、64条短路终端和63条附加导线，平行双导线、短路终端、附加导线的长度分别用M、N、A表示；三类导线段的宽度相同，用W表示；

b.建立天线谐振频率f_r和驻波比VSWR的计算方程：

其中，c 为光速，c＝3×10⁸m/s，k∈{0,R⁺}；Z_c为自由空间的本征阻抗，Z_c=120πΩ；ω为角频率，ω=2πf，β为相位常数，β=2πλ，P为平行双导线的对数，P=4^n-1=64；S为短路终端所有导线段长度总和，S=4^n-1×N；D为附加导线段长度总和，D=(4^n-1-1) ×A，n为Hilbert分形阶数，n＝4；μ₀为真空磁导率，μ₀＝4π×10^－7Hm^－1，λ为接收电磁波的波长；为馈线的特性阻抗；