UHF传感器（精选7篇）
UHF传感器 篇1
特高频 (Ultra-High-Frequency, UHF) 方法通过接收局部放电辐射出的0.3~3GHz频率范围内的电磁波检测设备内部的绝缘缺陷。其灵敏度极高、抗干扰能力强, 近年来逐步被应用于变压器局部放电检测。
目前我国使用的110k V及以上的电力变压器多为油浸式变压器, 其油箱为钢板结构, 这严重屏蔽了UHF电磁波。为探测变压器内部局部放电辐射出的电磁波, 往往将传感器安装在变压器内部。目前主要通过放油阀将传感器植入变压器。然而, 如何合理利用这种安装方法, 其检测灵敏度如何, 这是摆在检测人员面前的关键问题。
为此依据电磁波传播理论分析了UHF电磁波经过这种安装结构的衰减特性, 基于此初步评价了这种安装方式的灵敏度。
1 放油阀式UHF传感器
将UHF传感器植入油管道内可以接收变压器内部辐射的电磁波信号。这种安装方式可以带电实施, 适用于运行中的变压器。但是在有些情况下, 其检测灵敏度受到了放油阀的结构的限制:当放油阀为蝶阀、截止阀等类型时, UHF传感器无法通过它探入变压器油箱, 此时UHF信号经过长油管道后到达传感器, 这将会大大降低其检测灵敏度。
2 UHF电磁波经过油管道的衰减特性
油管道呈圆管形状, 可看作有一定长度的圆形波导。根据电磁波理论, 理想圆形波导由空心圆金属管构成, 属于单导体传输系统, TE11波型是圆波导中的主波型 (主模) , 其截止波长 (λc) 最长, 截止频率 (fc) 最低。截止频率的计算方法如下:
其中:λc=1.706 x D, D为圆波导的内直径。v为UHF电磁波在油中传播速度, 即:2×108m/s。
目前常见的220k V及以上的电力变压器的放油管道有两种规格, 即DN80、DN150。其直径分别为0.08m、0.15m。根据式 (1) 得到TE11波型的截止频率, 分别为1.47GHz、0.78GHz。圆波导实质上是高通滤波器, 它对在其截止频率以下的所有频率都具有衰减作用。UHF电磁波在其内部的衰减程度与传播距离有关, 其关系如下:
其中, 频率的单位为GHz, 长度单位为cm。根据式 (2) 可作出电磁波在经过一定长度 (l, cm) 油管道后在不同频率下的衰减程度, 如图1所示。可见, 随着频率升高, 衰减程度呈下降趋势, 当频率等于或高于截止频率时, 其衰减程度为0。随着UHF电磁波在油管道内传播距离的增加, 其衰减程度逐渐增加, 其衰减程度与传播距离呈线性关系。
此外, 由于截止频率不同, UHF电磁波在不同直径的油管道内的衰减程度不同。在低于截止频率的任意一点, UHF电磁波在DN80油管道内的衰减程度远大于DN150。
3 结论
放油阀式传感器适合于变压器局部放电带电安装和检测, 较为灵活。为了提高其检测灵敏度, 应选择闸阀或球阀, 使传感器探入变压器油箱内表面。如果受阀门等因素限制UHF传感器不能探入, 则优选DN150的油阀和管道。
摘要：特高频 (Ultra-High-Frequency, UHF) 检测方法适用于变压器内部局部放电故障的带电检测, 然而传感器的安装不当将可能大大降低其检测灵敏度。本文依据工程电磁兼容原理分析了电磁波经过充放油管道等部件的衰减特性。在此基础上对比分析了不同安装方式的检测灵敏度, 并给出了传感器安装建议。
关键词：变压器,局部放电,带电检测,特高频,灵敏度,放油阀
参考文献
[1]王伟, 唐志国, 李成榕.用UHF法检测电力变压器局部放电的研究[J].高电压技术, 2003 (10) .
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UHF大功率收发前端设计 篇2
关键词：收发前端,接收通道,发射通道,噪声系数,三阶交调
在无线通信中, UHF (超高频) 频段具有独特的优点, 例如:UHF终端的持久耐用和小型化, 此频带的信号具有较强的穿透力和覆盖性。射频收发前端是无线通信中不可或缺的一部分, 它的质量影响整个通信系统的通信效果, 同时它也对整个系统动态性能起到关键作用。射频前端电路设计的合理与否, 对系统的噪声系数以及动态范围, 线性度等系统指标的质量都会有所影响, 会导致所处理信号质量恶化[1,2,3]。优化通信系统的综合性能指标, 必须合理规划噪声系数、灵敏度, 动态范围等指标。随着无线通信技术的发展, 通信终端的小型化也在飞速发展。现在射频收发前端电路主要朝着高集成、小型化、低成本、高频段、低耗材的方向发展。
1 工作原理
现代无线通信系统主要由接收机和发射机两部分组成。接收机射频接收前端部分的主要作用是从空间接收到的众多电磁波中选出有用信号, 然后变频到所需的中频信号并进行放大以及解调到所需的功率电平值[4]。把调制后的中频信号变频到射频信号, 再进行放大等处理, 使信号达到一定功率后发射出去。
UHF收发前端具有全向以及定向两个天线端口, 可以通过大功率微波开关进行切换, 为收发一体结构, 收发通道通过电源通断控制分时工作[5,6]。接收输入和发射输出通过环行器共用一个端口。接收通道具有抗大功率烧毁功能, 发射通道具有功率控制和功率遥测功能。
接收通道设计中, 信号经天线进入接收通道, 首先进入隔离器, 对接收、发射有一定的隔离, 且能保证驻波;之后进入射频滤波器对信号进行选频, 保证信号的1 dB带宽, 30 dB带宽以及带外抑制要求。再进入限幅器, 保证天线切换时接收通道进入30 dBm连续波信号不造成系统性能永久下降;最后经低噪声放大器对信号进行放大, 最终输出。
UHF射频收发前端发射通道中, 信号进入发射通道后先进入射频开关, 主要控制发射通道射频信号输入通断, 同时对接收通道有一定隔离;之后信号进入第一级放大器, 对信号进行放大;进入数控衰减器, 主要控制高低功率切换, 对信号衰减量进行控制;然后经过第二级放大器继续对信号进行放大, 最后进入末级功率放大器, 保证输出功率;然后经过环形器, 对收发单元进行隔离, 同时保证电压驻波比, 最后经射频开关输出。在末级功率放大器之后, 环形器之前, 加入功率遥测电路, 实现功率遥测功能。UHF射频收发前端原理框图如图1所示。
2 电路优化设计
2.1 接收通道设计
在接收通道的设计中, 增益、噪声系数、收发隔离、驻波等都是重要指标, 低噪声放大部分的设计是系统设计的重点。系统前面的几级决定了噪声系数的大小, 因此低噪部分设计时合理地选择元器件、分配噪声和增益, 尤为重要。
(1) 噪声系数。
由于放大器位置在末级, 所以前级开关、环形器、射频滤波器、限幅器对噪声系数影响较大, 而且因为滤波器指标要求较高, 在保证指标以及体积的情况下, 滤波器插损较大, 对噪声系数造成了较大影响。因此要保证噪声系数达标, 一是前级电路插损必须小, 二是第一级放大器必须具备高增益低噪声性能。低噪放芯片选用万通公司的低噪声放大器WHM19-3032AE, 噪声系数<0.9 dB, 增益30 dB, 电流95 mA。噪声曲线如图2所示。
(2) 收发通道隔离。
环形器最大可承受功率为20 W, 隔离度20 dB, 同时因为系统工作方式为半双工, 因此在通过切断电源的方式保证系统半双工工作的同时, 对收发通道隔离也起到重要作用。
(3) 天线切换开关。
天线切换开关作为接收通道的第一级, 它的插损对接收通道的噪声有重要影响, 同时天线切换开关作为发射通道的最后一级, 要求它在有较低损耗的同时, 必须具有通过大信号的能力。大功率射频开关选择Aeroflex公司的MSW2031-203, 该开关体积小, 性能良好, 最大可承受功率达50 W, 插损<0.5dB, 驻波<1.5。插损曲线如图3所示。
2.2 发射通道设计
发射通道的设计中, 重要的指标是功率电平、谐波抑制、三阶交调等。 (1) 三阶互调指标。通常情况下, 如果功放链增益不高, 功率放大器在1 dB压缩输出点的三阶互调约为-18 dB, 放大器线性输出功率为21 W, 末级功率管工作在P-1状态。 (2) 功率、增益平坦度的实现。
放大器前两级选用宽带功率单片, 末级选用大功率内匹配功率管, 保证系统功率电平要求。合理设计射频链路腔体空间, 输入输出端加隔离器, 保证功率放大器输入输出驻波良好, 可满足带内增益平坦度要求。末级功率管选用Nitronex公司的NPTB00025功率管, 最大功率可达25 W, 1 dB压缩点为21 W, 满足设计要求。NPTB00025功率管增益功率曲线如图4所示。
(3) 大小功率切换电路。功率放大器有大小功率两种输出状态, 大功率输出功率>40 dB, 小功率状态输出功率<23 dB。功率放大器的大小功率切换一般有两种方式:一种是用TTL电平来控制放大器的某几级功率管电源的通断, 这种方法小功率状态工作电流小, 缺点是输出功率变化量难以确定;另一种方法是在放大器的输入端加压控衰减器, 通过衰减输入信号幅度来改变输出功率, 这种方法能精确控制输出功率的变化量, 改善放大器的线性度, 但小功率工作状态下电流较大。经综合考虑选用数控衰减器的方法来实现大小功率切换。
(4) 电源控制电路。功放链电源由+28 V经过二次电源变换得到, 二次电源模块输入电压范围9～36 V, 输出电压28 V, 输出电压调节范围10%～110%, 输出功率100 W, 电源模块效率>81%, 模块具有过压过流保护功能。
发射电路选用砷化镓功率管, 砷化镓功率管工作时, 要求先加负压, 后加正压, 在功放的电源部分加入负控正电路, 防止负压没有加上时, 漏压先加上导致瞬态电流无穷大烧毁功率管或者电源模块过流保护。在电源部分加入TTL调制电路, 通过高低电平控制收发通道电源通断, 进而实现收发切换。电源控制电路如图4所示。
3 测试结果与分析
测试结果如表1所示。
使用安捷伦公司的E8364B矢量网络分析仪测试驻波, 测试结果如图6所示。
噪声系数、增益测试仪器使用安捷伦N8975A噪声分析仪, 测试结果如图7所示
如表1所示输入输出电压驻波比、噪声系数及收发开关控制速率不理想, 输入输出端驻波可考虑加隔离器进行改进。影响噪声系数的主要元器件有前端天线切换开关、射频滤波器以及限幅器和后级放大器, 改进方法为:在不影响增益平坦度的基础上尽量降低射频滤波器的损耗, 同时在选用射频放大器时尽可能选用低噪声、高增益放大器。
开关控制速率指标主要影响因素是大功率单刀双掷开关控制电路[7], 改进方法为:优化电源控制电路, 目前采用1个三极管控PMOS管方法控制收发电源通断以及负压保护电路, 开关速率较慢, 改进方法拟将电源控制电路及负压保护电路分别控制, 以增加电路控制速度。
4 结束语
无线通信技术的飞速发展, 大力推进了无线通信设备的进步。目前UHF射频无线收发信机已得到普遍的应用, 在无线通信系统中有较高的科研价值, 发展的重要方向就是设备的低功耗和小型化。文章阐述了一种UHF射频无线收发信机前端的设计。介绍了UHF射频收发前端的特点与优势, 文章分析了射频收发前端的设计重点和难点, 介绍了接收通道和发射通道的结构组成, 对系统关键技术进行了优化设计, 给出了关键元器件的选型分析。最后针对测试结果对射频收发前端中存在的不足提出了改进方法。
参考文献
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[6]肖志敏.2-30MHz短波电台射频前端研制[D].成都:电子科技大学, 2004.
UHF传感器 篇3
选择UHF频段的“空降兵DS5”手持终端作为RFID研究的硬件基础, 该设备可以搭配不同功能的硬件模块, 类似于“搭积木”的方式实现功能组合。该设备内置操作系统为Win CE6, 应用Microsoft Visual Studio 2010 的智能Windows设备终端的方法, 可以实现二次开发。在初步应用中, 我们发现厂商提供的RFID应用程序工作效能不理想, 因此选择了C++.net语言开发了RFID高效程序。
2 系统设计
2.1 总体设计
参考物联网“感知, 网络、应用”的三层架构的思想, 设计RFID手持终端的软硬件架构见图1, 包含了五个模块, 至底向上设计为“天线模块”、“读卡器硬件”两个硬件单元, 和“读写模块”、“中间件模块”、“无线通讯模块”三个软件单元。
“天线模块”向空气幅射电磁能量, 并捕获能量区域内标签信号;“读卡器硬件模块”则控制“读卡器天线模块”完成标签识别的工作;利用C++.net编写“读卡器读写模块”, 调用厂商提供的SDK控制硬件端读写标签数据, 同时把从硬件端获得的标签号, 提供给“中间件模块”;“中间件模块”把大量的标签数据进行整理、压缩的处理, 把干净的标签数据提供给“无线通讯模块”;“无线通讯模块”调用WIFI模块或GPRS模块实现远程通讯, 最终将标签数据传递给云端。
2.2 读写软件模块设计
采用C++.net对读卡器硬件实现控制, 主要涉及以下四个功能: (1) 打开串口且连接UHF; (2) 关闭串口且断开UHF; (3) 实现抗碰撞识别; (4) 读取RFID标签。其中实现抗碰撞识别功能的程序源码如下, 该程序支持通过调整Q值, 来改变帧长, 从而为抗碰撞算法优化提供了可能:
2.3 中间件模块设计
RFID中间件主要负责对标签存储数据进行误差校正、拣选、汇总和运算的工作。RFID阅读器接收到标签发送的射频信息, 将数据解码后传给中间件。中间件将精简数据传给通讯模块, 减轻通讯模块和云端之间的工作负荷。
RFID中间件应实现如下功能:1) 阻挡系统外的无效数据, 现在生产环境中越来越多的物品使用了RFID技术, 捕获的RFID数据中一部分和本系统无关系, 所以需要阻挡这些无效数据, 避免增加应用层云系统不必要的工作压力;2) 清洗系统内的错误数据, RFID在通讯中偶尔会产生通讯错误, 中间件应能识别并删除这类错误数据;3) 应根据事件急缓程度进行通讯等级排序, 对生产事件的处理顺序进行优化;4) 对海量的RFID传感数据, 实现合并和压缩, 合并冗余数据, 降低网络通讯的压力。
中间件是传感器硬件和云端软件之间的通讯桥梁, DS5 硬件结构上还选配了一维码激光传感器, 二维码机器视觉传感器, 所以将一维码数据、二维码数据也纳入中间件的统一管理。综上所述, 设计RFID中间件的架构图见图2。
2.4 GPRS通讯模块设计
在户外作业时, DS5 通常只能采用GPRS通讯方式, 调用厂商SDK编写程序如下, 可采用GPRS拨号上网方式, 把中间件模块精简后的数据, 向云端应用系统传送。
3 结果与讨论
本课题以DS5 型的RFID手持终端为研究基础, 设计了“读写软件模块”、“中间件模块”、“GPRS通讯模块”, 使得DS5手持终端具有较好户外扫描RFID的能力。能将扫描到的RFID标签数据, 通过GPRS即时传至云端。物流工作大多工作于户外, 而本次设计的手机终端能在户外及时传递数据, 因此在物流行业具有较好的应用前景。
摘要：为了适应物流行业户外作业的特点, 对UHF频段的DS5型的RFID手持终端进行二次开发, 编写了“读写软件模块”、“中间件模块”、“GPRS通讯模块”, 使得DS5手持终端具有较好户外扫描RFID的能力, 该项设计在物流领域具有较好的应用前景。
关键词：UHF频段,RFID,软件设计
参考文献
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[2]林宇洪, 沈嵘枫, 邱荣祖.南方林区林产品运输监管系统的研发[J].北京林业大学学报, 2011, 33 (5) :130-135.
[3]单承赣, 单玉峰, 姚磊, 等.射频识别 (RFID) 原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2008.
UHF数字电视四偶极板天线研发 篇4
UHF数字电视四偶极板天线实现了垂直极化、宽频段、高增益等特性集合为一体。天线采用垂直极化方式发射，有利于减小传播损耗、提高辐射效率，有利于车载和移动接收，从而改善覆盖效果;该天线在分米波全频段(470MHz～860MHz)内输入驻波比≤1.1，可以实现多部发射机共用同一副天线，成倍提高铁塔和天馈设备的使用效率;天线采用四偶极子的形式，加装反射板，天线增益达到11d B，高增益可以实现在相同的发射功率下，同等接收条件下的信号接收强度增强，节约了能源;天线具有灵活组合的特点，可以根据覆盖需求进行赋形设计;天线结构轻盈，外部采用玻璃钢罩体密封，可有效减小雨雪冰霜的影响，实现全天候工作。
UHF数字电视四偶极板天线近年已在地面数字电视广播和移动多媒体广播等项目中得到广泛应用，到目前为止，已在近300个城市使用超过6000片，与采用进口天线相比节省了大量投资，并为国家贡献税收约300万元。
UHF数字电视四偶极板天线的研制成功很好的满足移动多媒体广播和地面数字电视的覆盖需要，该天线的应用为地面数字电视和移动多媒体广播的良好覆盖提供了有力的技术支持。
UHF频段滤波器的小型化设计 篇5
伴随无线通信产业的发展, 人们对通信设备的体积、重量等指标提出了更苛刻的要求, 微波带通滤波器作为无线通信设备中的重要部件之一, 其结构设计对系统的体积、重量起着决定性的影响, 尤其是在适合移动通信的UHF频段。为满足小型化的要求, 必须克服体积与性能指标之间的矛盾, 实现低插入损耗、高选择性的带通滤波器, 使系统的性能和结构达到最优化。
1基本原理
常规腔体滤波器由四分之一波长同轴线谐振器组成, 但在UHF频段其外型尺寸比较大, 很难满足实际的使用要求。本文所讨论的螺旋滤波器设计原理与同轴线谐振器组成的滤波器相似, 不同之处在于, 螺旋滤波器的内导体是螺旋管形的, 其轴向波长仅为同轴传输线中波长的 (b为螺旋管的长度;ln为ln绕制b螺旋管导线的长度) ln, 即绕制螺旋管的导线ln愈长, 圈数N愈多, 沿螺旋管的轴线方向上传播的速度降低也愈多。故采用具有螺旋内导体的四分之一波长短路同轴线作谐振器, 长度可大大缩短。
螺旋谐振器等效为一并联谐振回路而被应用于耦合谐振器带通滤波器。作为一个并联谐振回路, 有如下电参L量表征它C的电特征:回路电感L, 电容C, 谐振频率f0, 无载品质因数OQ和Q特O性阻抗ZC。ZC
螺旋谐振器的常用设计形式有两种, 考虑到加工和制作的方便, 再此我们以圆腔形螺旋谐振器作为论述焦点。需要的参数定义如下:D为屏蔽盒的内壁直径 (cm) ;d为螺旋管的平均直径 (cm) ;H为屏蔽盒的内部高度 (cm) ;b为螺旋管的长度 (cm) ;φ0为绕制螺旋管的导线直径 (cm) ;τ为螺距 (cm) ;N为螺旋管的总匝数 (匝) ;n0为单位长度上的匝数 (匝/cm) 。
0.4nOO0.6 (2-2) (螺旋管各匝导线磁场的相互作用造成OQ降低, 此邻近效应影响最小的条件为式 (2-1) 、 (2-2) ) ;
2螺旋滤波器设计
本文O通2n过给12定000滤波器插ZC入损fO耗D10、5带外抑制要求, 求滤波器最小体积。指标要求如f3d B下:中心频率为335MHz 0;3dB带宽∆f3d B≥5MfOHDz;通带中心f插3d B入损耗A0≤2.5dB;回波损0耗≥15dB;f440d0BdB带宽∆f40dB≤±10MHz。在此我们以圆腔形屏蔽盒进行设计。
1) 根据选定的低通f3d B原型, 确定选用五节0谐振器进行设计。K0查表可知
3) 由式 (2-4) 求得螺旋谐振U腔的直径:D=2.82cm。满足用户D≤3cm 0的使用0要10求U0, 1并留U有一1定余量。
4) 在此按谐振腔直径D=3cm进行设计;由式 (2-3) 求得螺f旋O线圈直径:d=1N.65c5m00。0
7) 屏蔽腔f0采D2用五腔结构, 空腔直径D=3cm, 高H=4.2cm, 外形为矩形, 6采00用0 LY12硬铝材料制成。
8) 耦合方式:各螺旋腔间采用容性耦合, 输入、输出采用环耦合方式。
QO9) 五腔螺旋滤波器设计外形尺寸为:159×34×50mm。
通过采用Tonnesoftware公司的Helical Version 2.05设计软件进行仿真, 性能指标满足设计要求, 并留有一定的余量。
通过详细的设计、加工、装配和调试后, 螺旋滤波器设计仿真曲线与实际测试参数对照表1。
3结论
通过表1实验数据分析, 可以看出螺旋滤波器的设计、制作是很成功的, 完全满足设计指标的要求, 且留有一定的余量。分析可以发现, 虽然在插入损耗等指标方面要比同轴线形式的滤波器有所增加, 但螺旋谐振器形式的滤波器结构尺寸要小的多。对于现代迅猛发展移动通信行业来说, 苛刻的体积要求也许是整个设计的重心, 目前, 此螺旋谐振器滤波器已经应用到移动图像传输系统中, 得到了广泛的认可。
摘要：本文简要介绍了螺旋谐振器滤波器的基本原理、设计方法, 给出了设计实例, 通过实例性能分析, 说明了螺旋谐振器型腔体滤波器研究的必要性。12
关键词：滤波器,螺旋谐振器,四分之一波长
参考文献
[1]李春红, 李志强.低频段腔体滤波器的小型化设计[J].石家庄:无线电工程, 2006 (2) .
UHF传感器 篇6
近年来 , 国内有关 研究机构 对特高频 局部放电 检测技术进 行了广泛的研究。 西安交通大学 等建立了 检测频带可 调的实验室检测系统及 局部放电自动 识别系统 。 清华大学则试图通过 在变压器内部安置 特高频天 线的方法 来测量变压器的内部放 电, 并在实验 室进行了 一些实验 研究。 国外的研究一般在电 力设备顶部靠 近高压侧 的箱体上开一窗口(介质窗),传感器通过介质窗提取 局部放电信号, 并通过频谱分析仪 进行分析 。 总之 , 国内外利 用UHF法检测电 力变压器 的工作大 多集中在 实验室进 行 , 现场开展的较少 , 且开发的检测系统 中关键设 备均为频 谱分析仪,不但价格昂贵且不适合在现场长期运行[2]。
在新形势 下的智能 电网推广 与运行维 护过程中 , 一方面,传统UHF局放检测仪采用下变频+高速AD卡+X86工控机架 构 , 其中下变 频采用一 路本振与 输入信号 相乘 ,会导致频 谱混叠 。 而高速AD卡只负责 采样 ,不负责信 号处理 ,严重增加 后端工控 机处理负 荷 ;另一方面 ,局部放电 产生的特 高频信号 频率已达 微波频段 ,若直接采 集 ,对采集设 备的采样 率和存储 深度的要 求非常高 。 所以 ,必须设计 全新架构 来解决频 谱混叠和 工控负荷 过重等问 题 。
1特高频局部放电检测
UHF法 、 AE法等是目 前现场检 测局部放 电的常用 方法 , 也是目前 国际上公 认的 、 最适合现 场使用的 局部放电 检测技术 , 其有效性 得到国际 大电网会 议CIGRE联合工作 组的一致 认同 。 目前 ,这种灵敏 的 、几乎无干 扰的技术 ,已广泛应 用于常规 高压电力 设备的局 部放电在 线监测或 巡检工作 。
电力设备 每一次局 放都会伴 随着一个 纳秒级的 陡电流脉 冲向周围 辐射电磁 波 ,频率可达300 MHz~3 GHz, 特高频 (UHF) 检测技术 就是通过 对该电磁 波进行捕 获 、 分析 ,从而对局 放源进行 定位 。 把局部放 电看做是 一个点源,其产生的电磁扰动随时间变化而产 生电磁波,遵循Maxwell的电磁场 基本方程 。 其时变电 磁场基本 方程通过 引入动态 向量位和 动态标量 位转化为 动态位方 程 :
求解 ,得 :
其中V为电荷的 分布空间 。 该解说明PD电磁波以 速度y沿着r方向传播 , 是时间与位置的函数 , 为横向电磁波 , 其能力沿 电磁波传 播方向流 动[3]。
2系统硬件设计
2.1系统组成
系统构成如图1所示。 采用自主创新的“嵌入式LINUX操作系统 + 嵌入式工 控机 + 专用采集 分析板卡 + 专用分析 软件 ” 构架 , 实现了对 局部放电 信号的采 集 、 放大 、 分析 、存储重放 。
2.2信号的采集模块
利用模拟 开关可以 将一路测 量电路采 集两个探 头 , 一路测量 环境噪声 ,一路测量 特高频信 号 。 因为普通 的继电器在 断开时 ,触点间有 寄生电容 ,不能真正 阻断高频 信号的继 续前进 ,而在接通 时 ,对特高频 信号损耗 较大 ,不适合此 处应用 。 所以在这 里选用特 高频信号 专用的半 导体模拟 开关 ,实现二转 一的功能 。
考虑到智 能电网现 场工作环 境的复杂 性 , 本系统为 之设计了 四波段开 关滤波器 组 。 目前来看 ,多路开关 滤波器组 件中高低 波段的相 互串扰难 以避免 。 虽然不能 消除它 , 但可以通 过将两组 四波段滤 波器串联 的办法使 之尽可能 地减小 。 其中一条 波段的线路如图2所示[5]。
2.3程控放大器模块
不同频段 的信号经 过测量板 卡的放大 、 混频 、 滤波后进 入AD芯片前 ,增益会发 生变化 ,这里在AD芯片前级设计了 程控放大 器 , 针对不同 的频段信 号 , 设定不同 的增益 ,以保证不 同频段信 号测量的 准确性 。 本设计采 用TQM8M9075数字可变 增益放大 器 ,如图3所示 。
2.4双通道模块
程控放大 器和FPGA之间如果 只有一路 本振信号 , 与特高频 信号混频 后频谱搬 移效果如 图4所示 。
而双路正 交混频后 频谱搬移 如图5所示 , 其较好地 解决了频 谱混叠现 象 。
2.5大容量FPGA与同步信号
AD芯片产生 的数据需 要进行处 理 , 而通过软 件对两路105M采样的数 据进行实 时处理使CPU压力非常 大 ,因此后端 设计了FPGA进行数据 处理 ,FPGA实现数字下变频 、FFT变换 、 数字低通 滤波 、 功率统计 , 大大降低 了后端工 控机处理 负荷 。 同步信号 模块则负 责将输入 的工频信 号耦合 、 整形后送 给FPGA,FPGA根据输入 的同步信 号决定什 么时候开 始处理信 号 , 也就是说 , 同步信号 模块提供FPGA一个参考0相位 。
3系统实现
3.1运行流程
图6为信号采 集和处理 的软件流 程图 。 在线监测 仪在安置 、调试完成 后将正式 上电启动 。 首先将由 工作人员 设定底噪 , 可以按照 默认值也 可以重新 设定 ; 然后设定 现场监控 所需的频 段 、 带宽及增 益 , 所有设定 过程全部 通过人机 交互展开 。 所需参数 设定完毕 后 ,局放监测 探头开始 采集信号 ,信号特征 经过自动 化处理后 展现在仪 器屏幕上[8]。
3.2效果展示
使用时 , 如果您不 知道现场 设备的中 心频率 , 可以使用扫频 功能,系统将自动分析从 设备发送回来的数据 , 从而计算 出一个合 理的值 ,填充到中 心频率输 入框中 。
接下来进 入系统主 工作界面 ,如图7所示 。 其中 ,区域1、 区域3、 区域4作为主显 示区域 , 分别展示 峰值趋势 图或均值 趋势图 、 放电次数 - 相位图 、 幅度 - 相位图 。 区域2和区域5处的各种 按钮负责 对以上显 示区域进 行各种操 作 、控制 。 最底层的 三个区域 分别是 :系统菜单 栏 、当前通道 状况和快 捷键栏 。
4结论
本文利用 特高频法 研究智能 电网的局 部放电 , 克服了传 统的脉冲 电流法测 量频率低 、 频带窄的 缺点 , 可以较全 面地研究 局部放电 的特征 。 其中 ,可检测的 主要状态 量及通道 包含UHF-4通道 、 同步电压 -1通道 , 接收300 MHz ~ 3 200 MHz频段的信 号 , 具有良好 的信噪比 。 能捕捉的 最低局放 信号精度 达到了50pc, 可广泛应 用于10 M / 100 M / 1 000 M自适应以 太网接口 和RS232配置接口 。 本文对智 能电网局 部放电特 高频检测 技术进行 的理论及 应用研究 , 已经取得 了较好的 效果 , 其广泛的 应用将会 在智能电 网监测中 发挥重要 作用 。 若与数字 化测量相 结合 ,建立局部 放电指纹 库 ,利用数字 化的处理 方式 , 将会实现 局部放电 的自动识 别 。
摘要：针对智能电网建设和运行维护过程中的局部放电问题,设计了一套便携、实用的监测系统——UHF局放在线监测仪,它对传统工控机架构加以革新,通过对双路正交下变频器、双通道高速AD等技术的应用,以达到对300 MHz3 200 MHz频段的信号进行接收、处理,具有良好的信噪比。现场实验表明,该方法的成功应用将有助于推动电力变压器局部放电检测理论和技术的发展,提高绝缘诊断的准确性和可靠性。
UHF传感器 篇7
RFID(Radio Frequency Identification)———射频识别技术,作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和消息标椎化的基础,已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一,在生产、零售、物流、交通等各个行业有着广阔的应用前景。射频识别系统由电子标签、读写器、计算机网络三部分组成,标签天线和读写器天线作为通信的重要工具,在识别系统中发挥着重要的作用[1]。目前的射频识别系统按使用的频段划分,可以分为低频系统(30～300 KHz)、中高频系统(3～30 MHz)、超高频和微波系统(300 MHz～3 GHz或大于3 GHz)。为了在较长的工作距离上快速读取标签上的信息,高频段的系统正倍受关注。标签天线是RFID系统中最易变的部分,并且其设计面临着小型化、共形化、低成本、低损耗的实际要求,所以优化设计标签天线在整个系统中占有重要地位。
目前标签天线主要采用偶极子天线及其变形形式、平面倒F天线、缝隙天线、圆形天线等[2—6]。其中偶极子天线以设计简单、易于加工而占据优势。本文采用对称弯折偶极子天线,设计了一款工作在915MHz的小型化RFID偶极子标签天线。并对其主要的结构尺寸和特性参数进行了仿真分析。
1标签天线设计的基本原则
1.1标签天线与标签芯片的阻抗匹配
UHF频段RFID系统基于反向散射的原理来工作。标签通过改变等效雷达截面积来改变返回至读写器的反射信号强弱。标签芯片可以根据控制信号改变所呈现出的阻抗,从而改变与标签天线的匹配程度,RFID系统必须有足够的精度辨别两者之间的区别[7],从而从中获取控制信号中所包含的信息。
出于成本方面的考虑,UHF频段的无源标签将不能在标签中引入阻抗匹配电路,也就是说标签天线的阻抗必须可以直接与标签芯片的阻抗直接实现一定程度的阻抗匹配,由于失配所导致的反射系数必须小于一定程度。标签芯片所吸收的功率可表示为[8]:
式(1)中Ptagrec为标签芯片吸收的功率,Pant为标签天线从外界吸收的功率,τ是标签芯片吸收功率因子。式(2)中
式(2)中Γ为标签天线到标签芯片的电压反射系数,Zc和Rc分别是芯片的阻抗和阻抗的实部,。
1.2对标签天线辐射方向图的要求
综合反向散射和标签匹配的因素,一个UHF频段的RFID系统的最大工作距离可表示为
式(3)中λ为工作波长,Pt为读写器发射功率,Gt为读写器天线增益,GT为标签天线增益,Pth为标签芯片能够正常工作的最低门限功率。由以上的分析可见,一个UHF频段RFID系统的工作性能与标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配、标签天线的增益都有直接的关系。为保证标签有较好的可读性,降低对特定放置方向的依赖,一般要求标签天线的辐射方向图具有较好的全向性表现。
2对称弯折偶极子标签天线的设计与分析
2.1 UHF频段对称偶极子标签天线的结构设计
采用如图1所示的上下对称弯折的形式,上下对称弯折减小了天线的横向与纵向的尺寸比。介质基板采用便宜且常用的FR—4介质,其相对介电常数为4.4,损耗正切为0.02,其厚度设为0.8,并且考虑到实际加工的需要,在离天线两边各留0.5 mm的加工余量。
2.2 天线的结构参数对天线性能的影响
天线性能是一个多因素问题,天线的各个尺寸对天线性能的影响往往不是独立的,而是相互制约。在综合分析天线结构各个尺寸变化对天线性能的影响时,选取了其中变化较敏感的加以讨论。首先讨论振子左右两边线宽对天线性能的影响。
当e=12 mm,d=1.5 mm,l=4 mm,k线性变化时,天线阻抗的变化曲线如图2、图3所示。
对称弯折偶极子天线两边的线径对阻抗实部的影响较小,对阻抗的虚部影响较大。随k值的增大,阻抗呈现先减小,后增大的趋势。这与前面的设想相符,天线性能是一个多因素函数,各个参数之间相互制约,不会呈现连续的线性变化。在915 MHz,该天线呈现较大的阻抗虚部。通过调节k的值,可以与不同的芯片实现共轭匹配。通过改变k的值得到如表1的阻抗变化关系表,为以后的天线设计作参考。
当e=12 mm,k=1.2 mm,l=4 mm,天线两条线径之间的距离变化,即d变化时,天线的阻抗变化如图4、图5所示。
从曲线图中看出,d从0.5到2.0之间变化时,天线阻抗的实部变化不敏感,对虚部的影响较大。d从2.0变化到2.5时,实部、虚部变化程度都较大,也是受天线其他参数的影响。阻抗实部、虚部随d增大,都呈现增大的趋势。
当d=1.5 mm,k=1.2 mm,l=4 mm,天线臂长变化,即e变化时,天线的阻抗变化如图6、图7所示。
当e逐渐增大时,阻抗的实部与虚部都呈现增大的趋势,e的大小影响着标签天线的整体尺寸,所以在满足天线全向性,匹配的条件下,e应该尽可能小。图6、图7可以为不同型号的标签设计提供依据。
最后当d=1.5 mm,k=1.2 mm,e=12 mm,天线馈电处两臂的距离变化,即l变化时,天线的阻抗变化如图8、图9所示。
阻抗实部随l呈现先减小后增大的趋势。l较小时,阻抗虚部呈现较大的值;l较大时,阻抗变化不是很敏感。
针对在915 MHz上表现阻抗为18-j192欧姆的标签芯片,本文设计了一种新型的UHF频段RFID标签天线。有前面的分析可知,k的变化范围取为1.0～1.4 mm,d取为1.0～2.0 mm,e取10～14 mm,l取为2～8 mm,通过优化设计后得到天线最终的尺寸为k=1.2 mm, d=1.5 mm, e=12 mm, l=4 mm。天线的整体尺寸为26.4 mm×28 mm×0.8 mm,再加上边上的加工余量,总体尺寸为27.4 mm×29 mm×0.8 mm,满足了小型化要求,其S11、增益如图10、如图11所示。
在UHF频段内实现了全频覆盖,、全向性能良好。
3 结论
本文设计了一款对称弯折偶极子标签天线,并详细讨论了天线振子左右两边线宽、线径之间的距离、天线臂长、天线馈电处两臂的长度对天线阻抗的影响,其中前三个参数对天线阻抗的影响较为敏感,在优化设计时需要重点考虑。在此分析基础上,针对在915 MHz上表现阻抗为18-j192欧姆的标签芯片,设计了一款天线,该天线尺寸为26.4 mm×28 mm×0.8 mm,具有明显的小型化优势,谐振点在912 MHz处,具有较好的全向辐射性能,满足RFID标签天线的设计要求,并且该天线具有宽频带特性。
参考文献
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[2] Michishita N,Yamada Y.A novel impedance matching structure fora dielectric loaded 0.05 wavelength small menader line antenna.IEEE International Symposium on Antennas and Propagation,Albuer-que,NM,June 2006:1347—1350
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[4]赖晓铮,刘焕彬,张瑞娜,等.一种平面倒F纸基RFID标签天线.东南大学学报(自然科学版),2008;38(3):376—379
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