用于输电线路工况监测系统的LTCC天线设计

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输电线路监测系统是现代复杂电力网络安全可靠运行的重要保障。现代输电线路监测系统会在固定的杆塔或路段上安置监测装置,以及无人机巡视装置。这些装置之间主要是依靠无线网络(WIFI、WIMAX)实现相互联系。所以优质的天线传感器可以降低装置之间收发信号的误差,提高监测系统的可靠性。为了适用现代设备小型化、多频段的特点,低温共烧陶瓷(LTCC)技术有利于研制出满足这些特点的天线。LTCC技术利用先进的工艺可以将多种无源器件封装于多层陶瓷基板中,可以实现天线收发多个频段的电磁波。LTCC天线材料的高频、高Q的特点是减小天线体积的有效方法。本文首先基于LTCC技术设计了尺寸为6.9×12.7×1.1 mm3的双频段曲折线天线。该天线工作的两个频段的谐振频率分别为4.60GHz和5.80GHz,从HFSS仿真结果可以看出,该天线在电压驻波比为2.5时(回波损耗为-7.5dB)的频带宽度分别为330MHz和350MHz。虽然该天线的辐射方向依然是全向性的,但是由于发生交叉极化该天线的方向特性较差。为了满足实际应用需求,本文又设计了整体尺寸为7.8×13.5×1.2 mm3的双层曲折线天线。两层曲折线通过电磁耦合效应使该天线可以同时收发两个频段的信号,并且该天线避免了交叉极化的出现,有更好的方向特性。该天线的顶层和底层微带线中心频率分别为5.18GHz和5.58GHz,增益分别为0.47dBi和0.84dBi,在-7.5dB回波损耗下的带宽分别为520MHz和230MHz。通过HFSS软件模拟、分析发现该天线具有良好的阻抗特性和方向特性。最后,本文采用Li2Mg2(WO4)3材料作为基质(εr=7.72,tanδ=0.000203),并且通过LTCC技术工艺制作了尺寸为7.8×13.5×1.2 mm3的小型化LTCC天线,通过一些结构上的调整使天线有一个较宽的频带,折中了天线尺寸与其他性能的关系。并研究了在天线制作过程中,烧结温度对天线性能的影响。通过与仿真数据的对比,该天线基本满足设计要求。
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