CN116359680A - 基于uhf扫频的局部放电检测超外差接收机设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，包括用于变频时境频干扰抑制的频段选择滤波器，所述频段选择滤波器电性连接有用于小能量电磁信号的低噪声放大器，所述低噪声放大器电性连接有变频单元一，且变频单元一电性连接有带宽及增益控制单元一，所述带宽及增益控制单元一电性连接有变频单元二，且变频单元二电性连接带宽及增益控制单元二。得益于该基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，具有宽频带，大动态，高灵敏度的特点，能把宽带频谱变换为窄带模拟信号，用于提取局部放电信号的相位和幅值，从而大大降低数据采集系统的要求和数据量，达到既能检测信号又降低检测系统技术要求和成本的目的。
Description
技术领域
本发明属于超外差接收机技术领域，具体涉及基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计。
背景技术
变电站中的变压器和GIS组合电器{以下简称“GIS”)在运行过程中发生绝缘故障产生局部放电时，所激发的电磁波信号频谱高达3GHz，其主要能量集中在500～1500MHz；通过检测变压器和GIS局部放电过程向外辐射的特高频脉冲电磁波，借助计算机和信号处理技术来诊断确定变压器和GIS的绝缘故障是目前电力系统广泛应用的检测方法。特高频局部放电检测技术具有高灵敏度、高准确度以及较强的抗干扰性能，既能实现局部放电信号的检测，同时能实现故障类型的识别，甚至是故障定位。
变压器局部放电所激发的电磁波信号频谱很宽，高达3GHz，虽采用了500MHz～1500MHz的UHF天线降低了响应信号的带宽，但仍然有1GHz的带宽，最高频率为1500MHz，为检测局部放电的特高频特性，需要在工频周期内获取特高频信号的相位分布和幅值信息，直接采集频率如此之高的特高频信号的ADC价格昂贵且进口受到限制；而且对这样大的采样数据量进行实时处理，对数据采集系统软硬件性能要求都很高。在500MHz～1500MHz频段上，还存在移动通信、电视、雷达等电磁波信号的强干扰，需要滤除这些固定频段的电磁波干扰信号。
发明内容
本发明的目的在于提供基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，包括用于变频时境频干扰抑制的频段选择滤波器；
所述频段选择滤波器电性连接有用于小能量电磁信号的低噪声放大器，所述低噪声放大器电性连接有变频单元一，且变频单元一电性连接有带宽及增益控制单元一，所述带宽及增益控制单元一电性连接有变频单元二，且变频单元二电性连接带宽及增益控制单元二，所述增益控制单元二电性连接有检波器。
优选的，所述变频单元一包括一级混频器，所述一级混频器电性连接于低噪声放大器，且一级混频器电性连接有本振一，所述本振一电性连接有微处理器。
优选的，所述带宽及增益控制单元一包括带通滤波器一，所述带通滤波器一电性连接于一级混频器，且带通滤波器一电性连接有中频放大器一。
优选的，所述变频单元二包括二级混频器，所述二级混频器电性连接于中频放大器一，且二级混频器还电性连接有本振二。
优选的，所述带宽及增益控制单元二包括带通滤波器二，所述带通滤波器二电性连接于二级混频器，且带通滤波器二还电性连接有中频放大器二，所述中频放大器二电性连接于检波器。
本发明的技术效果和优点：该基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，得益于变频单元一和变频单元二以及带宽及增益控制单元一和带宽及增益控制单元二的设置，其具有宽频带，大动态，高灵敏度的特点，能把宽带频谱变换为窄带模拟信号，用于提取局部放电信号的相位和幅值，从而大大降低数据采集系统的要求和数据量，达到既能检测信号又降低检测系统技术要求和成本的目的。可对移动通信、电视、雷达等频段固定的电磁波干扰信号能有效滤除。
附图说明
图1为本发明的设计方案图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1所示的基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，包括用于变频时境频干扰抑制的频段选择滤波器，频段选择滤波器由一个LCL无源高通滤波器和一个无源低通滤波器组成，限制3dB输入频带为500～1500MHz，450～1650MHz以外频带抑制20dB以上，同时对输入端口进行接地保护，所述频段选择滤波器电性连接有用于小能量电磁信号的低噪声放大器，所述低噪声放大器电性连接有变频单元一，且变频单元一电性连接有带宽及增益控制单元一，所述带宽及增益控制单元一电性连接有变频单元二，且变频单元二电性连接带宽及增益控制单元二，所述增益控制单元二电性连接有检波器，检波器输入频带范围为100～2700MHz，输入动态范围为-60dBm～10dBm，输出带宽为6MHz，所述频段选择滤波器的目的是选择出所要测量频段的频率，把变频时的境频干扰抑制20dB以上，即把境频上的干扰能量隆低在百分之一以下。按理论分析，频段选择滤波器带宽应远低于第一中频频率，降低中频和半中频带来的干扰，而低噪声放大器的功能是为保证对较弱的局部放电带有小能量电磁信号的接收，整个接收前端变频外理电路应有尽可能高的接收灵敏度，在前级设计一低噪声放大电路以降低本级及后级变频、检波的噪声影响是提高灵敏度的主要措施。除低噪声要求外，还要有足够的电平动态范围。
具体的，所述变频单元一包括一级混频器，所述一级混频器电性连接于低噪声放大器，且一级混频器电性连接有本振一，所述本振一采用可编程频率合成器，并根据微处理器的控制输出系统设定的本振频率信号(2460～3460MHz)，输出功率0～2dBm，相位噪声小于-70dBc/Hz@1K，杂散小于-30dBc，-40～80℃温度范围频率稳定度小于10PPM，步进频率1MHz；
所述本振一电性连接有微处理器，所述微处理器采用8051单片机，根据系统设置参数，通过SPI接口完成本振1(可编程频率合成器)的输出频率设定；通过调整本振1输出频率(2460～3460MHz)在500～1500MHz输入频带内以20MHz带宽进行无缝步进扫频，检索局部放电信号，所述带宽及增益控制单元一包括带通滤波器一，所述带通滤波器一电性连接于一级混频器，且带通滤波器一电性连接有中频放大器一，所述变频单元二包括二级混频器，所述二级混频器电性连接于中频放大器一，且二级混频器还电性连接有本振二，所述本振二采用定点频率源，输出2100MHz的本振频率信号，输出功率2dBm，相位噪声小于-75dBc/Hz@1K，-40～80℃温度范围频率稳定度小于10PPM；
所述带宽及增益控制单元二包括带通滤波器二，所述带通滤波器一和带通滤波器二采用声表面滤波器，具有工作频率高、通频带宽、选频特性好等特点；带通滤波器一的3dB带宽为1930～1990MHz，1850～2040MHz以外频带抑制30dB以上；带通滤波器二在带宽为130～150MHz时插入损耗为9.3dB，128～152MHz以外频带抑制35dB以上；
所述带通滤波器二电性连接于二级混频器，所述一级混频器和二级混频器采用无源宽带混频器，L0/RF输入频率范围5～3500MHz，IF输出频率范围5～2500MHz，转换损耗为7.9dB；采用差式混频，输出中频等于本振频率与输入信号频率之差；本设计的一级中频输出1960MHz信号等于本振1频率(2460～3460MHz)减去输入信号频率(500～1500MHz)，而另一个满足一级中频输出1960MHz信号条件的输入信号频率远在4.4GHz频段之外，已被频段选择滤波器抑制掉；二级中频输出140MHz信号等于本振2频率(2100MHz)减去1960MHz中频信号频率，而另一个满足二级中频输出140MHz信号条件的一级中频信号频率在2240MHz频段之外，已被带通滤波器一抑制掉；
所述带通滤波器二还电性连接有中频放大器二，所述中频放大器二电性连接于检波器，所述变频单元一和变频单元二是用于调整频率在整个检测频带内进行无缝步进扫频，检索局部放电信号频率，输出一个频谱纯净的固定中频信号，可由于变频级输出的宽带信号尚不能为数据采集系统直接应用，必须对信号带宽及信号幅度作适当的调整，以保证固定的频率步进和固定带宽。故而通过而带宽及增益控制单元一和带宽及增益控制单元二在中频控制信号带宽为20MHz，然后进行中频放大，最终输出频率140MHz，幅度适中的信号，再检波后送数据采集系统，该超外差接收机采用高中频设计，保证了接收机中频放大器一输出不受宽带输入UHF信号的影响；中频放大器一输出远大于1500MHz输入频段，采用1960MHz中频输出；本振一频率输出远大于1500MHz输入频段，采用2460～3460MHz本振频率输出，并且该采用了一级低噪声放大器和两级中频放大器，总的增益大于60dB，扣除滤波器、混频器和网络匹配的衰减，超外差接收机增益大于20dB；本设计采用宽带低噪声放大器，频带范围达到50～6000MHz，噪声系数为1.1@1.9GHz，在500～1500MHz频带范围增益为16～17dB；中频放大器采用频带范围为50～4000MHz的RF放大器，在1960MHz频点增益为20.4dB，在140MHz频点增益为23.6dB。
工作原理，该基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，从UHF传感器接收的局部放电产生的特高频信号频带高达2GHz以上，通过频段选择滤波器限制输入低噪声放大器的UHF信号频带为500～1500MHz，该UHF信号很弱在进入一级混频器之前采用低噪声放大器进行前置放大，放大后的UHF信号与本振一产生的频率信号(2460～3460MHz)一起输入一级混频器变频输出1960MHz中频信号，1960MHz中频信号通过带通滤波器一限制输出带宽为60MHz，经中频放大器一进行放大后与本振二产生的频率信号(2100MHz)一起输入二级混频器变频输出140MHz中频信号，140MHz中频信号通过带通滤波器二限制输出带宽为20MHz，经中频放大器二进行放大后，进入检波器将该140MHz±10MHz中频信号幅度峰值转换为低频模拟电压信号输出。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，包括用于变频时境频干扰抑制的频段选择滤波器；
其特征在于：所述频段选择滤波器电性连接有用于小能量电磁信号的低噪声放大器，所述低噪声放大器电性连接有变频单元一，且变频单元一电性连接有带宽及增益控制单元一，所述带宽及增益控制单元一电性连接有变频单元二，且变频单元二电性连接带宽及增益控制单元二，所述增益控制单元二电性连接有检波器。
2.根据权利要求1所述的基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，其特征在于：所述变频单元一包括一级混频器，所述一级混频器电性连接于低噪声放大器，且一级混频器电性连接有本振一，所述本振一电性连接有微处理器。
3.根据权利要求2所述的基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，其特征在于：所述带宽及增益控制单元一包括带通滤波器一，所述带通滤波器一电性连接于一级混频器，且带通滤波器一电性连接有中频放大器一。
4.根据权利要求3所述的基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，其特征在于：所述变频单元二包括二级混频器，所述二级混频器电性连接于中频放大器一，且二级混频器还电性连接有本振二。
5.根据权利要求4所述的基于UHF扫频的局部放电检测超外差接收机设计，其特征在于：所述带宽及增益控制单元二包括带通滤波器二，所述带通滤波器二电性连接于二级混频器，且带通滤波器二还电性连接有中频放大器二，所述中频放大器二电性连接于检波器。
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