近年來，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓開關(guān)柜作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件得到越來越廣泛的應(yīng)用。高壓開關(guān)柜由于其內(nèi)部空間狹小、零件繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絕緣距離小等特點，比其他電力設(shè)備更容易出現(xiàn)絕緣缺陷從而引發(fā)局部放電故障。一般來說，局部放電產(chǎn)生的電流脈沖能夠激勵起超高頻段的電磁信號（0.3～3GHz），由于該頻段外界干擾幾乎不存在，所以人們逐漸將超高頻在線檢測的方法作為檢測局部放電信號的重要手段。

超高頻（ultra high frequency, UHF）傳感器是局部放電超高頻檢測系統(tǒng)中的核心器件，用于局放檢測的UHF傳感器主要有以阿基米德螺旋天線為代表的非頻變天線、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等。其中由于微帶天線具有剖面低、體積小、易于集成等諸多優(yōu)點逐漸成為UHF傳感器中的研究熱點。

但是相比較于其他天線，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，若能在展寬微帶天線檢測頻帶的同時又保持上述優(yōu)點，則能夠得到一種體積較小、易于安裝和檢測靈敏度高的微帶天線。

本文設(shè)計的微帶天線通過增加介質(zhì)板厚度和空氣層結(jié)構(gòu)有效地展寬了天線頻帶。并引入Koch分形理論來增加輻射貼片的有效長度，在降低諧振頻率的同時實現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)尺寸的小型化。在理論計算方面，利用圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合Koch分形結(jié)構(gòu)的方法估算出分形天線的主要尺寸，最后由三維電磁仿真軟件（high frequency structure simulator, HFSS）建立天線模型，并通過仿真計算配置最優(yōu)天線模型參數(shù)。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的天線能夠滿足開關(guān)柜局部放電超高頻在線檢測的要求。

圖1 Koch曲線迭代過程

圖2 Koch分形天線結(jié)構(gòu)

圖4 Koch微帶天線模型

結(jié)論

本文在引入Koch分形理論在傳統(tǒng)矩形微帶天線的基礎(chǔ)上設(shè)計出了一種適用于開關(guān)柜局部放電超高頻檢測天線。利用電磁仿真軟件HFSS對該天線進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，得到以下結(jié)論：

利用圓形微帶結(jié)構(gòu)擬合Koch分形天線結(jié)構(gòu)的方法，能夠正確地計算出天線模型各個方面的尺寸。通過改變微帶貼片形狀和饋電點位置、增加介質(zhì)基底和空氣層的厚度，可以有效地展寬頻帶并降低諧振頻率，在滿足寬頻化和低頻化的同時還能實現(xiàn)天線的小型化，便于后期安裝。

所設(shè)計的超高頻傳感器在VSWR＜5的檢測頻帶為535～825MHz，在檢測頻帶內(nèi)，天線的方向性良好，且平均增益為1.5dB，可滿足對開關(guān)柜局部放電超高頻信號的采集要求。