王 嬋，李相強(qiáng)，賀俊銚，張健穹，王慶峰

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著列車運(yùn)行速度的提升，加上惡劣的工作環(huán)境，弓網(wǎng)離線電弧現(xiàn)象的產(chǎn)生越來(lái)越頻繁，弓網(wǎng)離線都伴隨著強(qiáng)烈的寬頻帶電磁輻射[1?2]。弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象的產(chǎn)生將對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)中電磁敏感設(shè)備造成影響，嚴(yán)重的還會(huì)影響列車的運(yùn)行安全。目前，列車上一般采用視頻圖像監(jiān)測(cè)、紅外熱成像溫度監(jiān)測(cè)結(jié)合電氣參數(shù)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)弓網(wǎng)接觸狀態(tài)進(jìn)行判斷，但不能滿足定量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警要求。對(duì)弓網(wǎng)電弧電磁輻射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)是判斷弓網(wǎng)接觸狀態(tài)的一種新型方法，為實(shí)現(xiàn)高性能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一種小型化、寬頻帶和高增益的天線傳感器。

目前已有學(xué)者針對(duì)弓網(wǎng)電弧放電產(chǎn)生的電磁輻射現(xiàn)象開(kāi)展了一定的研究工作[3?6]。其中，文獻(xiàn)[7]采用工作頻段為 9～30 MHz 的環(huán)形天線和 30 MHz～3 GHz 的對(duì)數(shù)周期天線結(jié)合頻譜儀測(cè)量弓網(wǎng)電弧電磁噪聲的高頻磁場(chǎng)信號(hào)和電場(chǎng)信號(hào)，結(jié)果表明弓網(wǎng)電弧的電場(chǎng)噪聲主要集中在 30～500 MHz 之間。文獻(xiàn)[8]以環(huán)形天線、雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線作為傳感器接收武廣列車弓網(wǎng)電弧電磁信號(hào)，結(jié)果指出其頻譜主要分布在0.009～500 MHz范圍內(nèi)。由前人所做工作可知，弓網(wǎng)電弧頻譜主要集中在0～500 MHz 之間，然而其所用的天線傳感器均存在尺寸過(guò)大、帶寬不能完全覆蓋所需頻段等缺陷。文獻(xiàn)[9]提出基于電弧電磁輻射特性的直流電弧檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了110 mm×110 mm 的四階Hilbert 分形天線接收電磁信號(hào)，但文獻(xiàn)設(shè)計(jì)得到的天線存在駐波比較大、能量傳輸效率低等問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)的天線平面為150 mm×150 mm 的四階Hilbert 分形天線，駐波比基本在4 以下，且VSWR＜2 的帶寬很窄。

鑒于上述問(wèn)題，本文以小型化、寬頻帶和高增益為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)具有疊層結(jié)構(gòu)的五階Hilbert 分形天線的變形結(jié)構(gòu)。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分形曲線具有嚴(yán)格的自相似性和空間填充性等特性，而其結(jié)構(gòu)上的特殊性決定了它具有小型化、多頻點(diǎn)和寬頻帶等優(yōu)勢(shì)，在多種分形曲線類型中Hilbert 分形曲線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間利用率高的分形結(jié)構(gòu)。目前，學(xué)者對(duì)三階和四階Hilbert 分形天線的研究較多[11?15]，而對(duì)五階 Hilbert 分形天線的研究卻很少。本文以Hilbert 分形天線作為研究對(duì)象，與現(xiàn)有天線相比，本文提出的Hilbert 天線的主要技術(shù)路線包括：

1）采用五階分形結(jié)構(gòu)：在保持整體尺寸不變的前提下，通過(guò)提高分形天線階數(shù)，提出五階Hilbert 天線，增大輻射貼片面積、減小諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)天線小型化。

2）采用層疊結(jié)構(gòu)：通過(guò)引入疊層耦合結(jié)構(gòu)激勵(lì)鄰近的諧振頻率，從而擴(kuò)大天線帶寬，同時(shí)增大天線增益。

3）連接方式的變形設(shè)計(jì)：通過(guò)改變層疊式五階Hilbert 分形天線主輻射貼片與耦合貼片的連接方式，改變電流路徑，進(jìn)一步提高其在各頻點(diǎn)處的增益。

天線結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1 所示，首先增大四階Hilbert 分形天線階數(shù)，采用五階分形結(jié)構(gòu)，然后在五階Hilbert 天線上方引入層疊結(jié)構(gòu)，最后將層疊式五階Hilbert 天線的輻射貼片進(jìn)行變形設(shè)計(jì)，提出兩種層疊式五階Hilbert 天線的變形結(jié)構(gòu)。最終得到的層疊式五階變形Hilbert 分形天線采用同軸饋電，其從上到下依次為介質(zhì)板、耦合貼片、空氣層、主輻射貼片、介質(zhì)板和接地板，其中介質(zhì)板均采用相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm 的環(huán)氧樹(shù)脂，整體尺寸為150 mm×150 mm×5.2 mm，滿足天線傳感器小型化需求。

圖1 天線設(shè)計(jì)過(guò)程

2 層疊式五階Hilbert 天線設(shè)計(jì)

2.1 五階Hilbert 分形天線設(shè)計(jì)

通過(guò)前人對(duì)不同階數(shù)Hilbert 天線的分析可知，Hilbert 分形天線的諧振頻率隨天線外圍尺寸的增大而降低；在外圍尺寸固定時(shí)，分形階數(shù)的增加會(huì)使 Hilbert分形天線的諧振頻率降低。因此，本文以弓網(wǎng)電弧電磁輻射能量較為集中的0～500 MHz 為研究頻段，提出五階Hilbert 分形天線，其采用同軸饋電，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 五階Hilbert 分形天線結(jié)構(gòu)圖

采用ANSYS HFSS 15.0 仿真軟件分別建立四階和五階Hilbert 天線模型，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)線寬度和介質(zhì)層厚度優(yōu)化天線性能，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)位置使其輸入阻抗與饋線阻抗相匹配，盡量接近50 Ω，提高天線能量傳輸效率，最后得到的天線導(dǎo)線寬度為2 mm，介質(zhì)板相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm，饋電點(diǎn)位置如圖2 所示，仿真模型得到的性能如圖3～圖6 所示。通過(guò)比較圖3 和圖5 的Hilbert 分形天線駐波比曲線可以看出，相同外圍尺寸的五階Hilbert 天線和四階Hilbert 天線相比，五階Hilbert 天線諧振點(diǎn)普遍往低頻移動(dòng)，在0～500 MHz 內(nèi)的駐波比更小，滿足VSWR＜2 的帶寬更大的要求，四階Hilbert 天線的駐波比普遍在 5～6 之間，而五階 Hilbert 天線的駐波比基本在3～3.5之間。然而通過(guò)對(duì)比圖4和圖6天線在0.1 GHz 處的方向圖可以看出，五階Hilbert 天線的法向增益有所降低，方向性變差。為了進(jìn)一步擴(kuò)大天線帶寬，降低駐波比值，同時(shí)增大天線增益，下面開(kāi)展疊層結(jié)構(gòu)的研究。

圖 3 五階 Hilbert 天線 VSWR 曲線

圖4 五階Hilbert 天線在0.1 GHz 處的方向圖

圖 5 四階 Hilbert 天線 VSWR 曲線

2.2 層疊式五階Hilbert 天線設(shè)計(jì)

弓網(wǎng)電弧電磁輻射檢測(cè)要求所需天線傳感器具有小型化、寬頻帶和高增益等特性，并且要有較好的方向性。本文研究的Hilbert 分形天線屬于微帶天線的一種，微帶天線具有體積小、重量輕、剖面低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，但其頻帶較窄，而工作在鄰近的多個(gè)諧振點(diǎn)上被證明是提高帶寬很有效的方法。具體方法是在主輻射體邊上添加額外的輻射貼片，這樣的寄生貼片被它與主貼片之間的電磁耦合激勵(lì)，它可以與主貼片在同一平面內(nèi)，也可以疊在主貼片上方。

圖6 四階Hilbert 天線在0.1 GHz 處的方向圖

本文在五階Hilbert天線的基礎(chǔ)上，在主輻射貼片上方引入層疊結(jié)構(gòu)，其側(cè)視圖如圖7所示，從上到下依次為介質(zhì)層、導(dǎo)線層、空氣層、導(dǎo)線層、介質(zhì)層和接地板，主輻射貼片和耦合貼片分別通過(guò)同軸探針饋電和耦合饋電。

圖7 層疊式五階Hilbert 天線側(cè)視圖

介質(zhì)板間距將影響到天線性能，當(dāng)兩個(gè)輻射貼片的諧振頻率靠近時(shí)，匹配較好的帶寬就覆蓋了一個(gè)比較寬的頻率范圍。通過(guò)調(diào)整介質(zhì)板間距得到其尺寸為2 mm時(shí)，兩個(gè)諧振獲得了比較好的匹配，同時(shí)天線輻射特性較好，此時(shí)整體尺寸為150 mm×150 mm×5.2 mm，仿真得到的層疊式五階Hilbert分形天線性能如圖8和圖9所示。

圖8 單層與層疊式五階Hilbert 天線VSWR 曲線

可以看出，將單層五階Hilbert 天線層疊后總體上改善了天線駐波比特性，借助于疊層單元與驅(qū)動(dòng)單元間的耦合，有效擴(kuò)大了天線VSWR＜2 的帶寬，且相比之下層疊式五階Hilbert 天線在0.1 GHz 處的方向性更好，具有更高的增益，增益為-37.282 dB。

圖9 層疊式五階Hilbert 天線在0.1 GHz 處的方向圖

3 層疊式五階Hilbert 天線變形設(shè)計(jì)

在天線諧振頻率計(jì)算中，Hilbert 天線被劃分為平行導(dǎo)線、短路終端和附加導(dǎo)線三部分，以四階Hilbert 分形曲線為例，具體如圖10所示。分別計(jì)算平行導(dǎo)線和另外兩類導(dǎo)線的電感，然后得到天線的總電感，最后通過(guò)學(xué)者證明的其總電感與半波長(zhǎng)偶極子天線的電感近似相等的等價(jià)關(guān)系，求得Hilbert 天線的各個(gè)諧振頻率。n階Hilbert分形天線可看成由22n-1段平行導(dǎo)線和22n-1-1段其他導(dǎo)線組成。

圖10 Hilbert 分形曲線組成示意圖

五階Hilbert 曲線實(shí)際由4 個(gè)四階Hilbert 曲線連接而成，這里通過(guò)分別改變層疊式五階Hilbert 天線2 個(gè)輻射貼片、4 個(gè)四階Hilbert 導(dǎo)線段旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)而改變其連接方式，改變電流路徑，提出兩種層疊式五階Hilbert 分形天線的變形結(jié)構(gòu)（分別稱為層疊式五階Hilbert天線變形1 和變形2），改進(jìn)后的天線仍等效為一彎折線天線，導(dǎo)線組成與五階Hilbert 曲線相同，其諧振頻率仍可以用彎折線天線諧振頻率的計(jì)算方法推廣得到。

利用ANSYS HFSS 仿真軟件建立天線模型并仿真得到層疊式五階Hilbert 天線的兩種變形結(jié)構(gòu)，分別如圖11a）和圖11b）所示。圖12 給出了天線在0～500 MHz內(nèi)的VSWR 曲線，在此頻段內(nèi)天線法向增益隨頻率的變化如圖13 所示，兩種變形結(jié)構(gòu)在0.1 GHz 處的三維方向圖如圖14 和圖15 所示。

圖11 五階Hilbert 天線兩種變形結(jié)構(gòu)

圖12 層疊式五階Hilbert 天線及其變形1 和變形 2 的 VSWR 曲線

圖13 層疊式五階Hilbert 天線及其變形1 和變形2 的增益隨頻率的變化

圖14 層疊式五階Hilbert 天線變形1 在0.1 GHz 處的方向圖

圖15 層疊式五階Hilbert 天線變形2 在0.1 GHz 處的方向圖

通過(guò)對(duì)上面三種天線形式的性能對(duì)比可以看出，層疊式五階Hilbert 天線的變形1 結(jié)構(gòu)在0～500 MHz 內(nèi)的駐波比特性更好，滿足VSWR＜2 的總體帶寬更大，為16～53 MHz 和 407～500 MHz，法向增益普遍較高，且在0.1 GHz 處的方向性也較好，方向圖在天線正前方基本呈現(xiàn)半球形，最大增益為-38.1 dB。因此，總體來(lái)說(shuō)層疊式五階Hilbert 天線的變形1 結(jié)構(gòu)性能更好，能夠更好地接收弓網(wǎng)電弧電磁輻射信號(hào)，具有更高的靈敏度。

4 結(jié) 論

為了對(duì)弓網(wǎng)電弧電磁輻射信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，本文提出一種層疊式五階變形Hilbert 分形天線傳感器。研究表明，對(duì)于相同外圍尺寸的四階和五階Hilbert 天線來(lái)說(shuō)，五階Hilbert天線的駐波比普遍更小，但增益會(huì)有所降低；層疊式相對(duì)于單層的五階Hilbert 天線具有更寬的頻帶，并且可以有效提高天線增益；改變層疊式五階Hilbert 天線4 個(gè)四階Hilbert 曲線的連接方式可以增大天線在各頻點(diǎn)處的增益。最后得到的天線整體尺寸為150 mm×150 mm×5.2 mm，體積較小，駐波比小于3.5（其中 16～53 MHz 和 407～500 MHz 頻段內(nèi) VSWR＜2），法向增益普遍較高，在0.1 GHz 處最大增益為-38.1 dB，且方向性也較好，能夠很好地接收來(lái)自正前方的信號(hào)。