一种超宽带全向辐射电磁传感器

技术领域

本发明属于电磁传感器技术领域，具体涉及一种超宽带全向辐射电磁传感器。

背景技术

局部放电是指在电气设备的绝缘介质不均匀，导致电流分布不均匀而出现的放电现象，通常会伴随着能量损耗，还会产生电磁辐射等。当电气设备持续产生局部放电，电荷将会得到累积，则会造成绝缘介质局部击穿、电气设备遭到损坏。值得注意是，当电场分布均匀时产生的正负电荷堆积而又发生中和，这期间会激发出电流脉冲，这些电磁波频率在0.3-3GHz，可以采用特高频法来检测局部放电。特高频局放检测具有检测灵敏度高，检测范围广，抗干扰强等优势，能够有效地提高设备运行的稳定性和安全性，延长设备的使用寿命。

电磁传感器是特高频局放检测的关键器件，用于接收局放过程产生的电磁波。当前电磁传感器各式各样，最常见的就是水平全向辐射电磁传感器。然而目前，该类传感器要求存在较多不足，比如较窄的工作频段，需要多个不同频段的传感器才能完成局放检测，大大增加了检测难度和成本。部分传感器的结构复杂，尺寸大，制作成本高等，不能满足目前特高频局放检测的宽带宽、尺寸小以及高增益的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种超宽带全向辐射电磁传感器，具有结构简单，宽带宽，低剖面等优势，能够解决目前特高频局放的宽带宽、尺寸小等要求。

为了实现上述技术效果，本发明的技术方案具体如下：

一种超宽带全向辐射电磁传感器，包括：

辐射体(1)、第一金属套筒(2)，反射板(3)，尼龙支撑柱(4)，介质板(5)，尼龙铆钉(6)和第二金属套筒(7)；

其中，当反射板(3)水平放置时，辐射体(1)位于反射板(3)的中心正上方，第一金属套筒(2)位于辐射体(1)的下方，固定在反射板(3)的上表面，第二金属套筒(7)位于辐射体(1)的上方，并通过尼龙铆钉(6)固定在介质板(5)的上表面，介质板(5)通过尼龙支撑柱(4)固定在辐射体(1)的上方。

优选地，辐射体(1)为圆柱状且内部镂空，馈电同轴(1A)从辐射体本体(1B)的底部中心进行激励。

优选地，第一金属套筒(2)由金属空心圆柱(201)、寄生金属片(202)以及焊接引脚(203)组成且连为一个整体，第一金属套筒(2)通过焊接引脚(203)与反射板(3)的底部金属层焊接。

优选地，第二金属套筒(7)由空心金属圆柱(301)和金属固定片(302)连为一个整体，空心金属圆柱(301)通过金属固定片(302)和尼龙铆钉(6)配合固定在介质板(5)的上表面。

优选地，反射板(3)包括介质(401A)，金属层(402B)以及开路缝隙(403B)，介质(401A)在反射板(3)的上表面，金属层(402B)和开路缝隙(403B)在反射板(3)的下表面。

综上，本发明提供了一种超宽带全向辐射电磁传感器，包括辐射体、第一金属套筒，反射板，尼龙支撑柱，介质板，尼龙铆钉和第二金属套筒；其中，当反射板水平放置时，辐射体位于反射板的中心正上方，第一金属套筒位于辐射体的下方，固定在反射板的上表面，第二金属套筒位于辐射体的上方，并通过尼龙铆钉固定在介质板的上表面，介质板通过尼龙支撑柱固定在辐射体的上方。本发明在辐射体底部增加了一个接地的带有寄生的金属套筒，改善了高频段的阻抗匹配；在反射板上增加一个开路缝隙，改善了低频段的阻抗匹配；在辐射体顶部增加了一个金属套筒，进一步改善中低频段的阻抗匹配，具有结构简单，宽带宽，低剖面的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的超宽带水平辐射电磁传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的超宽带水平辐射电磁传感器的辐射体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的辐射体底部的第一金属套筒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的辐射体顶部的第二金属套筒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的反射板的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电磁传感器的设计过程的S参数对比示意图；

图7为本发明实施例提供的超宽带水平辐射电磁传感器的远场仿真结果图。

附图中：1-辐射体，2-第一金属套筒，3-反射板，4-尼龙支撑柱，5-介质板，6-尼龙铆钉，7-第二金属套筒；

1A-馈电同轴，1B-辐射体本体；

201-金属空心圆柱体，202-为寄生金属片，203-焊接引脚；

301-空心金属圆柱，302-金属固定件；

401A-介质板，402B-金属层，403B-开路缝隙。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

电磁传感器是特高频局放检测的关键器件，用于接收局放过程产生的电磁波。当前电磁传感器各式各样，最常见的就是水平全向辐射电磁传感器。先公开的国内专利CN202210938929.3，提出了一种并馈馈电的全向电磁传感器，每个辐射口的幅度和相位都相同，增益保持平稳，实现了宽角度覆盖。先公开的国内专利CN 202110846714.4，设计一个偶极子宽带电磁传感器，在两个偶极子单元之间设置通州馈电孔，在同轴电缆的外围增加若干个铁氧体环，利用铁氧体环的高阻扼流功能，有效扼制了偶极子单元臂上电流流向同轴线电缆外侧表面，确保偶极子单元两臂上的电流相等，从而实现了全向辐射。

应用于局部放电检测的电磁传感器类型各式各样。贴片电磁传感器具有较低的剖面，加工成本低，但是其带宽较窄，偶极子电磁传感器能实现较宽的带宽，方向图稳定，但其有相对较大的尺寸。专利1提出了一种新型并馈馈电全向电磁传感器，电磁传感器的方位面的增益起伏很小，全向性非常好，空域覆盖角度大，但是其相对带宽非常窄，应用场景有限，专利2提出了一种偶极子电磁传感器，回波损耗大于14dB时，相对阻抗带宽约为92％，剖面高度为0.4个最低频率的波长(300MHz)，但其设计复杂，制作成本高。

因此，本发明基于现有传感器的不足，提出一种超宽带水平全向辐射电磁传感器，具有结构简单，宽带宽，低剖面等优势，能够解决目前特高频局放的宽带宽、尺寸小等要求。

以下对本发明的一种超宽带水平全向辐射电磁传感器的实施例进行详细的介绍。

请参阅图1，本实施例提供一种超宽带水平全向辐射电磁传感器，包括辐射体1，金属套筒2，反射板3，尼龙支撑柱4，介质板5，尼龙铆钉6，金属套筒7。

其中，辐射体1位于反射板3的中心正上方，金属套筒2位于辐射体的下方，固定在反射板的上表面，金属套筒7位于辐射体的上方，并通过尼龙支铆钉6固定在介质板5的上表面，介质5通过尼龙支撑柱4固定在辐射体的上方。

请参照图2，辐射体1为圆柱状，其内部镂空，节约制作成本。馈电同轴1A从辐射体1B的底部中心进行激励，可以激发一个水平全向的电磁辐射方向图。

请参照图3，金属套筒2由金属空心圆柱201、寄生金属片202以及焊接引脚203组成且连为一个整体，金属套筒2通过焊接引脚203与反射板3的底部金属层焊接，保证了良好的电气连接。接地的金属空心圆柱201与辐射体1产生了电容耦合，改善电磁传感器高频段的阻抗匹配，在金属空心圆柱201的上方增加了寄生金属片202，其电容耦合进一步增强，进一步提高了传感器的工作带宽。

请参照图4，辐射体顶部的金属套筒7，301为空心金属圆柱，302为金属固定片，金属空心圆柱301和金属固定片302连为一个整体，并通过尼龙铆钉6固定在介质板5的上表面。金属套筒7在辐射体1的顶部产生了电容耦合，用于改善电磁传感器低频的阻抗匹配，在没有大幅度地增大传感器尺寸的前提下，拓展了传感器的工作带宽。

请参照图5，其中a为反射板上表面，b为反射板下表面。反射板3包括介质401A，金属层402B以及开路缝隙403B，具有开路缝隙403B的反射板3，能够改善中低频的阻抗匹配，使得电磁传感器在500-2400MHz(相对带宽131％)频段内电压驻波比小于2.0，实现了超宽带的特性。

请参照图6，在增加金属套筒2后，改善了高频段的阻抗匹配，反射板3上增加开路缝隙后，拓展了低频段的工作带宽，增加了金属套筒7，改善了中低频的阻抗匹配。在500-2400MHz(相对带宽131％)频段内，实现电压驻波比小于2.0。

请参照图7，电磁传感器的远场仿真结果，在工作频段500-2400MHz下，增益在0.7-7.3dBi之间，并表现出良好的水平全向方向图。其中，(a)为工作频段内的仿真增益，(b)1.5GHz的水平方向图(XOY平面)，(c)1.5GHz的垂直面方向图(XOZ平面)

本发明提供的一种超宽带水平全向辐射电磁传感器，由圆柱形辐射体，辐射体底部的接地寄生型金属套筒，反射板上的开路缝隙以及辐射体顶部的金属套筒组成，能够实现在500-2400MHz(带宽132％)驻波比小于2.0，增益为0.7-7.3dBi，在频段内具有稳定的水平全向辐射方向图。接地的寄生型金属套筒，相比于传统的接地金属套筒，其能够改善更宽频段的阻抗匹配。反射板的开路缝隙以及辐射顶部的金属套筒，两者结合很好地提高了低频的工作带宽。

用圆柱形辐射体，实现了很稳定的水平全向辐射方向图；在辐射体底部增加了一个接地的带有寄生的金属套筒，改了高频段的阻抗匹配；在反射板上增加一个开路缝隙，改善了低频段的阻抗匹配；在辐射体顶部增加了一个金属套筒，进一步改善中低频段的阻抗匹配，在500-2400MHz频段内(相对带宽132％)实现了电压驻波比小于2.0以及稳定的水平全向辐射方向。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。