基于旋转单元反射超表面调控的局部放电检测用阿基米德螺旋天线高灵敏度技术研究——针对电气设备局部放电（Partial Discharge, PD）特高频（Ultra-High Frequency, UHF）检测灵敏度不足问题

《Water》：Research on Discharge and Temperature Regime of a Karst River Substantially Altered by Hydropower Plant Operation Damir Juki? and Vesna Deni?-Juki?

　　

针对典型阿基米德螺旋天线（Archimedean Spiral Antenna）在检测电气设备绝缘缺陷引发的局部放电（Partial Discharge, PD）时特高频（Ultra-High Frequency, UHF, 0.3–1.5 GHz）传感灵敏度不足的问题，研究人员提出一种基于旋转单元反射超表面（Rotating-Unit Reflective Metasurface）的PD UHF天线高灵敏度调控技术。首先建立UHF阿基米德螺旋天线的有限元模型；继而依据超表面电磁波反射技术与相位补偿原理设计旋转单元反射超表面以优化全频段增益，采用多参数联合优化方法获取天线与超表面的最优参数组合；最终对超表面调控后的阿基米德螺旋天线进行仿真与实验分析。结果表明：在0.3–1.5 GHz频段内，旋转单元超表面调控的阿基米德螺旋天线增益最大提升可达15.61 dB，全频段平均增益提升3.42 dB；静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）测试中UHF信号检测幅值提升约88.9%，气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）放电测试中UHF信号幅值检测提升约138.6%–150%。研究证实该超表面可显著改善天线增益性能，为电气设备PD检测的高灵敏度控制技术提供参考。

本文发表于《Water》。

研究背景：变电站是电力系统的核心枢纽，电力设备在运行、安装及环境影响下易产生绝缘缺陷，引发局部放电（Partial Discharge, PD）——即绝缘介质中局部电场畸变导致的气隙电离或介质击穿，会持续隐蔽损伤设备。PD在线监测方法中，特高频（Ultra-High Frequency, UHF, 0.3–1.5 GHz）法因抗现场电晕干扰能力强、可靠性高而被广泛应用，但传统UHF天线传感器（如阿基米德螺旋天线）存在增益低、检测灵敏度不足的瓶颈。现有增益提升方案（谐振腔、介质涂层、谐振器、透镜等）分别受限于窄带宽、高加工要求、带宽冲突或尺寸-损耗耦合等问题。为此，研究人员提出采用旋转单元反射超表面（Rotating-Unit Reflective Metasurface）对阿基米德螺旋天线进行增益调控，以解决UHF PD检测灵敏度不足的问题。

主要关键技术方法：研究人员采用HFSS软件建立小型化阿基米德螺旋天线有限元模型（起始频率0.6 GHz，最大半径77 mm，内半径r₀=12.5 mm，自互补结构）；设计单层宽带变形十字单元反射超表面（单元尺寸a=20 mm，介质基板厚d₁=3 mm，ε_r=3，背面覆铜），依据相位补偿公式φ(x,y)=(2π/λ₀)×(√(x2+y2+f2)-f)+φ₀通过旋转单元实现相位调制；采用多参数联合优化确定超表面与天线最佳间距h₀及FR₄支撑柱半径r₁；制作实物样机，分别通过矢量网络分析仪测试回波损耗（Return Loss, RL）/电压驻波比（Voltage Standing Wave Ratio, VSWR），通过静电放电（ESD）测试平台与全尺寸GIS PD模拟平台对比常规阿基米德天线、谐振腔单极子UHF天线及超表面调控天线的UHF信号幅值。

研究结果：

1. 2.
   PD Archimedean Helical Antenna and Modeling Simulation：研究人员将阿基米德螺旋臂从第6匝起弯曲至第12匝终止，实现天线最大半径缩至77 mm以满足小型化要求。仿真显示原天线在0.3–1.5 GHz频段内低频段增益低于0 dB，验证了原天线增益偏低的现状。
2. 3.
   Rotating Unit Reflective Metasurface Control
   3.1. Principle of Reflective Metasurface Gain Enhancement：依据广义斯涅尔定律（Generalized Snell's Law），反射超表面通过引入空间相位梯度使反射波异常偏转，将原本向后辐射或未被天线接收的空间电磁波反射汇聚至天线主瓣方向，从而将阿基米德螺旋天线的双向辐射特性转为单向辐射，实现增益提升。
   3.2. Design of Rotating Unit Reflective Metasurfaces：设计变形十字单元反射超表面，按相位补偿分布计算各单元旋转角，移除超表面几何中心单元以穿过FR₄中心支撑柱（r₁=2.5 mm），背面覆铜保持反射波幅值不变。
   3.3. Rotating Unit Reflective Metasurface-Controlled Archimedean Antenna Parameter Optimization：HFSS优化得到超表面与天线最佳无物联间距h₀=130 mm；优化FR₄支撑柱半径r₁=2.5 mm时对增益影响可忽略。加支撑后高频段（1.5 GHz）增益较无连接情况略降，中低频无明显变化。最终配置下0.3–1.5 GHz频段平均增益提升约3.42 dB，最大增益提升15.61 dB。
   3.4. Loss Analysis：仿真对比加超表面前后回波损耗（S₁₁参数），超表面不改变天线原有阻抗匹配特性，RL波动在正常范围，未引入明显附加损耗或寄生辐射。
   3.5. Physical Testing：实测加超表面后天线的VSWR仍在正常范围，与仿真一致。ESD测试中超表面调控天线检测UHF幅值3881.8 mV，常规阿基米德天线2055.2 mV，提升约88.9%。GIS放电平台测试中，6.6 kV工频电压下超表面调控天线检测UHF幅值964.0 mV，常规阿基米德天线404.0 mV，谐振腔单极子UHF天线420.0 mV；五个电压等级下幅值提升138.6%–150%。

讨论与结论翻译：为解决变电站UHF应用中天线增益不足的问题，研究人员设计了一种基于旋转单元反射超表面（Rotating-Unit Reflective Metasurface）的局部放电（Partial Discharge, PD）高灵敏度阿基米德天线。通过仿真与实验分析得出以下结论：（1）引入反射相位调制超表面后，阿基米德天线在0.3–1.5 GHz频段平均增益提升3.42 dB，最大增益提升15.61 dB；（2）PD测量表明，经超表面相位调制与反射后，天线在静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）下UHF信号检测幅值提升约88.9%，在气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）放电下UHF信号检测幅值提升约138.6%–150%；（3）本研究为电力设备高灵敏度PD调控提供了有价值参考，后续将完善阻抗匹配方法以优化低频回波损耗，并在实际变电站开展性能测试以提升工程应用性。