基于等效局域表面等離激元的無源無線溫度傳感器*

2022-06-28 01:22:10陳文彬龐建民鄭利斌李新軍李文琪周永金

傳感器與微系統 2022年6期

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.上海大學通信與信息工程學院特種光纖與光接入網重點實驗室,上海 200444)

0 引言

隨著電力技術的發展,人們日常生產生活所需用電量不斷增大,這些對電力系統的運行帶來了較大壓力,特別是高壓電器、電纜接頭等部分容易因為設備老化,電流超負荷、接觸不良等導致溫度異常升高,帶來嚴重的安全隱患[1]。為對接頭溫度進行精確預測以提高電纜安全運行水平,文獻[2]提出一種基于粒子群優化(particle swarm optimization,PSO)—最小二乘支持向量機(least square support vector machine,LSSVM)的高壓電力電纜接頭溫度預測方法。為預防氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)觸頭過熱缺陷,解決傳統測溫技術無法實現GIS設備內部觸頭溫度準確檢測的問題,一種基于紅外熱成像GIS內部導體溫度檢測技術被提出[3]。但人工巡檢存在測溫工作量大、效率低、不能實時檢測溫度的問題[4]。利用無線信號傳輸技術可擺脫線路的束縛,具有配置靈活、節省布線安裝成本的優點[5]。對電力系統關鍵部位進行無線監測測溫,可以及時發現溫度異常變化,有效防止故障發生,具有重要的應用價值。文獻[5]設計了基于溫度傳感器技術的電纜接口溫度在線監測系統。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,增加了系統的成本和不穩定性[6]。文獻[4]提出一種無源無線測溫裝置,能夠長期、安全、有效監測變壓器的溫度變化,避免因變壓器運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取電測溫傳感器等[7,8],其中電阻溫度傳感器采用電纜進行信號傳輸,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,有局域電場增強等特性,在傳感、檢測等領域有廣泛應用前景,但最初這些應用僅限于光波段[9]。為在低頻段實現類似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,并通過仿真分析驗證了其可行性。仿真表明該無源無線傳感器可有效監測電力系統設備的溫度。

1 溫度傳感原理

金屬波導如矩形波導、平行板波導等,由于波導本身幾何結構的限制,存在結構性色散[12],可實現結構色散誘導的ELSPs。對于特定的傳輸模式,可以定義波導內填充介質的等效介電常數,如當波導內傳輸TE10模時,可定義

(1)

式中εe為波導內填充介質的等效相對介電常數,εr為介質的相對介電常數,f為工作頻率,c為光速,d為平行板波導的間距或矩形波導的寬。根據定義,波導內介質的等效相對介電常數存在正值、負值和近零的情況。當波導內填充的兩種介質的等效介電常數符號相反時,就可在兩種介質的交界面處實現結構色散誘導的ELSPs。

基片集成波導(substrate integrated waveguide,SIW)是在介質基片上通過金屬過孔實現微波、毫米波導行的傳輸線結構,兼具傳統金屬波導和微帶線的優點,傳輸損耗小又易于集成,在分析設計過程中,可等效為矩形波導[13]。本文利用SIW構造ELSPs,在SIW中放置一個圓柱介質腔,腔內填充蒸餾水,水的介電常數可以定義為

(2)

式中ω=2πf為工作頻率,ε∞為無限頻率下的介電常數,εs為靜態介電常數,τ為弛豫時間。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“網店”的繁榮是摧毀了實體店和實體經濟，網絡經濟已影響到實體經濟的正常發展。但隨著互聯網技術的快速發展及其應用的快速普及，互聯網將與現實世界更加緊密結合，網絡經濟與實體經濟將會形成你中有我、我中有你的全面融合趨勢。

(4)

可見,介電常數的大小和工作頻率、溫度有關。根據式(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,取中心頻率為4.4 GHz的相對介電常數，其主要隨溫度變化。考慮到實際工作環境,仿真中水溫設置在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逐漸變小。

圖1 蒸餾水在不同頻率下相對介電常數隨溫度的變化

2 基于SIW的無源無線溫度傳感器

首先，設計基于SIW結構的H面喇叭天線,天線結構如圖2(a)所示,可分為三個部分,分別為饋電段,波導結構部分和喇叭結構。天線基板的材質的相對介電常數為2.65。設計并優化喇叭天線尺寸,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—微帶線轉換結構[14]。微帶線部分選用50 Ω微帶線。優化后部分參數設計如下：w2=36 mm,w4=127 mm,l3=40 mm,l4=50.16 mm,天線厚度10 mm,利用CST Stdudio進行仿真分析,觀察其S參數曲線,結果如圖2(b)所示,中心工作頻率在4.4 GHz,符合設計要求。

圖2 天線結構和仿真曲線

在SIW喇叭天線的基礎上增加一個封閉的液體管道,并在接收端放置一個普通的H面喇叭天線組成收發系統,系統結構如圖3所示,其中封閉液體道放置于SIW波導段的中心位置,管道內通入蒸餾水,管道外側放置周期性的金屬線以抑制TM模,并用金屬圓環連接起來。SIW可與電纜接頭、高壓開關柜等直接接觸。管內蒸餾水的相對介電常數常數隨環境溫度變化,且不受其他環境因素影響。