南京工程學(xué)院電氣工程學(xué)院、中國國家電網(wǎng)江蘇電力有限公司鎮(zhèn)江供電分公司研究員陳雷、唐健、王志瑞在2019年《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，為了滿足寬帶、高增益、小尺寸的高壓開關(guān)柜局放超高頻檢測天線的性能要求，在引入科赫分形結(jié)構(gòu)和空氣層理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型科赫分形微帶天線。

利用仿真軟件HFSS對天線模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，選擇了一組最優(yōu)參數(shù)作為天線對象。仿真結(jié)果表明，天線尺寸為180mm×180mm，VSWR < 5的檢測頻帶為535-825 MHz，天線平均增益為1.5dB，滿足超高頻檢測的要求。

近年來，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高壓開關(guān)柜已被廣泛用作電力系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。高電壓開關(guān)柜由于其內(nèi)部空間小、部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣距離小等特點(diǎn)，比其他電力設(shè)備更容易出現(xiàn)絕緣缺陷，從而引起局部放電故障。一般來說，局部放電產(chǎn)生的電流脈沖可以激發(fā)超高頻帶的電磁信號(0.3 ~ 3千兆赫)。由于該頻段幾乎沒有外界干擾，人們逐漸將超高頻在線檢測方法作為檢測局部放電信號的重要手段。

超高頻傳感器是局部放電超高頻檢測系統(tǒng)的核心設(shè)備。用于局部放電檢測的超高頻傳感器主要包括以阿基米德螺旋天線為代表的非變頻天線、以單極天線為代表的線天線和以微帶天線為代表的面天線。其中，微帶天線以其低剖面、小體積、易集成等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為超高頻傳感器的研究熱點(diǎn)。

然而，與其他天線相比，微帶天線的頻帶較窄，這在一定程度上限制了其在電力設(shè)備局部放電檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。如果在加寬微帶天線的檢測頻帶的同時能夠保持上述優(yōu)點(diǎn)，則能夠獲得具有小體積、易于安裝和高檢測靈敏度的微帶天線。

本文設(shè)計的微帶天線通過增加介質(zhì)板和空氣層結(jié)構(gòu)的厚度，有效地拓寬了天線的頻帶。引入科赫分形理論來增加輻射貼片的有效長度，可以降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)的小型化。在理論計算方面，通過將科赫分形結(jié)構(gòu)與圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合，估算出分形天線的主要尺寸。最后，利用高頻結(jié)構(gòu)模擬器(HFSS)建立天線模型，通過仿真計算配置最佳天線模型參數(shù)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的天線能夠滿足超高頻在線檢測開關(guān)柜的要求。

圖1科赫曲線迭代過程

圖2科赫分形天線結(jié)構(gòu)

圖4科赫微帶天線模型

結(jié)論

本文在介紹科赫分形理論和傳統(tǒng)矩形微帶天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種適用于開關(guān)柜局部放電的超高頻探測天線。利用電磁仿真軟件HFSS對天線進(jìn)行了優(yōu)化建模和仿真，得出以下結(jié)論:

采用圓形微帶結(jié)構(gòu)來擬合Koch分形天線結(jié)構(gòu)可以正確計算天線模型各個方面的尺寸。通過改變微帶貼片的形狀和饋電點(diǎn)的位置，增加介質(zhì)基片和空氣層的厚度，可以有效地擴(kuò)展寬帶，降低諧振頻率，在滿足寬帶和低頻的同時，可以實(shí)現(xiàn)天線的小型化，便于以后的安裝。

所設(shè)計的超高頻傳感器的檢測頻帶為535-825兆赫，VSWR小于5。在檢測頻段內(nèi)，天線具有良好的方向性，平均增益為1.5分貝，能夠滿足0+局部放電超高頻信號的捕獲要求。