陳文彬, 龐建民, 鄭利斌, 李新軍, 李文琪, 周永金

(1.北京智芯微電子科技有限公司,北京 102200；2.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 特種光纖與光接入網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444)

0 引 言

隨著電力技術(shù)的發(fā)展,人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活所需用電量不斷增大,這些對電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了較大壓力,特別是高壓電器、電纜接頭等部分容易因?yàn)樵O(shè)備老化,電流超負(fù)荷、接觸不良等導(dǎo)致溫度異常升高,帶來嚴(yán)重的安全隱患[1]。為對接頭溫度進(jìn)行精確預(yù)測以提高電纜安全運(yùn)行水平,文獻(xiàn)[2]提出一種基于粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)—最小二乘支持向量機(jī)(least square support vector machine,LSSVM)的高壓電力電纜接頭溫度預(yù)測方法。為預(yù)防氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)觸頭過熱缺陷,解決傳統(tǒng)測溫技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部觸頭溫度準(zhǔn)確檢測的問題,一種基于紅外熱成像GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫度檢測技術(shù)被提出[3]。但人工巡檢存在測溫工作量大、效率低、不能實(shí)時(shí)檢測溫度的問題[4]。利用無線信號傳輸技術(shù)可擺脫線路的束縛,具有配置靈活、節(jié)省布線安裝成本的優(yōu)點(diǎn)[5]。對電力系統(tǒng)關(guān)鍵部位進(jìn)行無線監(jiān)測測溫,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常變化,有效防止故障發(fā)生,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于溫度傳感器技術(shù)的電纜接口溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。不過,有源無線傳感器一般采用電池供電,電池的壽命和容量決定了其需要定期更換,增加了系統(tǒng)的成本和不穩(wěn)定性[6]。文獻(xiàn)[4]提出一種無源無線測溫裝置,能夠長期、安全、有效監(jiān)測變壓器的溫度變化,避免因變壓器運(yùn)行溫度過高引起變壓器安全隱患。

無源測溫傳感器主要有鉑電阻溫度傳感器、光纖測溫傳感器、聲表面波測溫傳感器和感應(yīng)取電測溫傳感器等[7,8],其中電阻溫度傳感器采用電纜進(jìn)行信號傳輸,光纖測溫傳感器采用光纖作為傳輸信號線,仍需要有線連接。而無源無線的聲表面波測溫傳感器和感應(yīng)取電測溫傳感器也各自存在一定的局限性[4]。局域表面等離激元(localized surface plasmons,LSPs)是一種局域于金屬納米顆粒上的非傳播電磁模式,有局域電場增強(qiáng)等特性,在傳感、檢測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景,但最初這些應(yīng)用僅限于光波段[9]。為在低頻段實(shí)現(xiàn)類似LSPs的電磁模式,仿局域表面等離激元(Spoof LSPs,SLSPs)和等效局域表面等離激元(equivalent LSPs,ELSPs)的概念相繼被提出并得到了驗(yàn)證[10,11]。

本文提出了一種基于LSPs表面等離激元的無源無線溫度傳感器,分析了其基本原理,并通過仿真分析驗(yàn)證了其可行性。仿真表明該無源無線傳感器可有效監(jiān)測電力系統(tǒng)設(shè)備的溫度。

1 溫度傳感原理

金屬波導(dǎo)如矩形波導(dǎo)、平行板波導(dǎo)等,由于波導(dǎo)本身幾何結(jié)構(gòu)的限制,存在結(jié)構(gòu)性色散[12],可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色散誘導(dǎo)的ELSPs。對于特定的傳輸模式,可以定義波導(dǎo)內(nèi)填充介質(zhì)的等效介電常數(shù),如當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)傳輸TE10模時(shí),可定義

(1)

式中εe為波導(dǎo)內(nèi)填充介質(zhì)的等效相對介電常數(shù),εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù),f為工作頻率,c為光速,d為平行板波導(dǎo)的間距或矩形波導(dǎo)的寬。根據(jù)定義,波導(dǎo)內(nèi)介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)存在正值、負(fù)值和近零的情況。當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)填充的兩種介質(zhì)的等效介電常數(shù)符號相反時(shí),就可在兩種介質(zhì)的交界面處實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色散誘導(dǎo)的ELSPs。

基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide,SIW)是在介質(zhì)基片上通過金屬過孔實(shí)現(xiàn)微波、毫米波導(dǎo)行的傳輸線結(jié)構(gòu),兼具傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點(diǎn),傳輸損耗小又易于集成,在分析設(shè)計(jì)過程中,可等效為矩形波導(dǎo)[13]。本文利用SIW構(gòu)造ELSPs,在SIW中放置一個(gè)圓柱介質(zhì)腔,腔內(nèi)填充蒸餾水,水的介電常數(shù)可以定義為

(2)

式中ω=2πf為工作頻率,ε∞為無限頻率下的介電常數(shù),εs為靜態(tài)介電常數(shù),τ為弛豫時(shí)間。對于蒸餾水,ε∞=4.9

εs=88.045-0.414 7T+6.295×10-4T2+1.075×10-5T3

(3)

τ=1.768×10-11-6.086×10-13T+1.104×10-14T2-8.111×10-17T3

從表面上看“網(wǎng)店”的繁榮是摧毀了實(shí)體店和實(shí)體經(jīng)濟(jì)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)已影響到實(shí)體經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)將與現(xiàn)實(shí)世界更加緊密結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)將會(huì)形成你中有我、我中有你的全面融合趨勢。

(4)

可見,介電常數(shù)的大小和工作頻率、溫度有關(guān)。根據(jù)式(2)～式(4),可以繪制工作頻率為4.3,4.4,4.5 GHz的介電常數(shù)隨溫度的變化曲線,如圖1所示,可以看出隨頻率變化εr的變化很小,可忽略,仿真分析時(shí),取中心頻率為4.4 GHz的相對介電常數(shù)，其主要隨溫度變化?？紤]到實(shí)際工作環(huán)境,仿真中水溫設(shè)置在40～100 ℃之間。由圖1可以看出,隨溫度升高,蒸餾水的相對介電常數(shù)逐漸變小。

圖1 蒸餾水在不同頻率下相對介電常數(shù)隨溫度的變化

2 基于SIW的無源無線溫度傳感器

首先，設(shè)計(jì)基于SIW結(jié)構(gòu)的H面喇叭天線,天線結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,可分為三個(gè)部分,分別為饋電段,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)部分和喇叭結(jié)構(gòu)。天線基板的材質(zhì)的相對介電常數(shù)為2.65。設(shè)計(jì)并優(yōu)化喇叭天線尺寸,使其中心頻率為4.4 GHz。天線的饋電部分采用錐形基片集成波導(dǎo)—微帶線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[14]。微帶線部分選用50 Ω微帶線。優(yōu)化后部分參數(shù)設(shè)計(jì)如下：w2=36 mm,w4=127 mm,l3=40 mm,l4=50.16 mm,天線厚度10 mm,利用CST Stdudio進(jìn)行仿真分析,觀察其S參數(shù)曲線,結(jié)果如圖2(b)所示,中心工作頻率在4.4 GHz,符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 天線結(jié)構(gòu)和仿真曲線

在SIW喇叭天線的基礎(chǔ)上增加一個(gè)封閉的液體管道,并在接收端放置一個(gè)普通的H面喇叭天線組成收發(fā)系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中封閉液體道放置于SIW波導(dǎo)段的中心位置,管道內(nèi)通入蒸餾水,管道外側(cè)放置周期性的金屬線以抑制TM模,并用金屬圓環(huán)連接起來。SIW可與電纜接頭、高壓開關(guān)柜等直接接觸。管內(nèi)蒸餾水的相對介電常數(shù)常數(shù)隨環(huán)境溫度變化,且不受其他環(huán)境因素影響。

圖3 無線溫度傳感系統(tǒng)

觀察溫度變化時(shí)的系統(tǒng)的傳輸系數(shù)仿真結(jié)果如圖4(a)所示,可以看出系統(tǒng)諧振頻率隨蒸餾水溫度升高而發(fā)生藍(lán)移。這是因?yàn)闇囟仍礁?蒸餾水相對介電常數(shù)越低,因而諧振頻率越高。諧振頻率隨溫度變化的曲線如圖4(b)所示,可以看到諧振頻率隨溫度變化近似線性變化。

圖4 仿真結(jié)果

選取45,70,90 ℃時(shí)觀察SIW中管道中心位置截面的電場分布,如圖5所示,可以觀察到明顯的電場束縛現(xiàn)象,ELSPs均為二極諧振模式。

圖5 不同溫度時(shí)諧振模式的電場分布

3 結(jié) 論

本文提出并仿真驗(yàn)證了基于ELSPs的無源無線溫度傳感器。在SIW中構(gòu)造ELSPs,并在其空腔中填充蒸餾水。由于外界溫度變化時(shí),蒸餾水的相對介電常數(shù)隨之變化,帶來ELSPs的諧振頻率的明顯偏移,由此可以反演出環(huán)境溫度,從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)溫度的無源無線監(jiān)測,對保障系統(tǒng)安全具有重要意義。