基于等效局域表面等离激元的无源无线温度传感器*

陈文彬, 庞建民, 郑利斌, 李新军, 李文琪, 周永金

(1.北京智芯微电子科技有限公司,北京 102200；2.上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200444)

0 引 言

随着电力技术的发展,人们日常生产生活所需用电量不断增大,这些对电力系统的运行带来了较大压力,特别是高压电器、电缆接头等部分容易因为设备老化,电流超负荷、接触不良等导致温度异常升高,带来严重的安全隐患[1]。为对接头温度进行精确预测以提高电缆安全运行水平,文献[2]提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)—最小二乘支持向量机(least square support vector machine,LSSVM)的高压电力电缆接头温度预测方法。为预防气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)触头过热缺陷,解决传统测温技术无法实现GIS设备内部触头温度准确检测的问题,一种基于红外热成像GIS内部导体温度检测技术被提出[3]。但人工巡检存在测温工作量大、效率低、不能实时检测温度的问题[4]。利用无线信号传输技术可摆脱线路的束缚,具有配置灵活、节省布线安装成本的优点[5]。对电力系统关键部位进行无线监测测温,可以及时发现温度异常变化,有效防止故障发生,具有重要的应用价值。文献[5]设计了基于温度传感器技术的电缆接口温度在线监测系统。不过,有源无线传感器一般采用电池供电,电池的寿命和容量决定了其需要定期更换,增加了系统的成本和不稳定性[6]。文献[4]提出一种无源无线测温装置,能够长期、安全、有效监测变压器的温度变化,避免因变压器运行温度过高引起变压器安全隐患。

无源测温传感器主要有铂电阻温度传感器、光纤测温传感器、声表面波测温传感器和感应取电测温传感器等[7,8],其中电阻温度传感器采用电缆进行信号传输,光纤测温传感器采用光纤作为传输信号线,仍需要有线连接。而无源无线的声表面波测温传感器和感应取电测温传感器也各自存在一定的局限性[4]。局域表面等离激元(localized surface plasmons,LSPs)是一种局域于金属纳米颗粒上的非传播电磁模式,有局域电场增强等特性,在传感、检测等领域有广泛应用前景,但最初这些应用仅限于光波段[9]。为在低频段实现类似LSPs的电磁模式,仿局域表面等离激元(Spoof LSPs,SLSPs)和等效局域表面等离激元(equivalent LSPs,ELSPs)的概念相继被提出并得到了验证[10,11]。

本文提出了一种基于LSPs表面等离激元的无源无线温度传感器,分析了其基本原理,并通过仿真分析验证了其可行性。仿真表明该无源无线传感器可有效监测电力系统设备的温度。

1 温度传感原理

金属波导如矩形波导、平行板波导等,由于波导本身几何结构的限制,存在结构性色散[12],可实现结构色散诱导的ELSPs。对于特定的传输模式,可以定义波导内填充介质的等效介电常数,如当波导内传输TE10模时,可定义

(1)

式中εe为波导内填充介质的等效相对介电常数,εr为介质的相对介电常数,f为工作频率,c为光速,d为平行板波导的间距或矩形波导的宽。根据定义,波导内介质的等效相对介电常数存在正值、负值和近零的情况。当波导内填充的两种介质的等效介电常数符号相反时,就可在两种介质的交界面处实现结构色散诱导的ELSPs。

基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)是在介质基片上通过金属过孔实现微波、毫米波导行的传输线结构,兼具传统金属波导和微带线的优点,传输损耗小又易于集成,在分析设计过程中,可等效为矩形波导[13]。本文利用SIW构造ELSPs,在SIW中放置一个圆柱介质腔,腔内填充蒸馏水,水的介电常数可以定义为

(2)

式中ω=2πf为工作频率,ε∞为无限频率下的介电常数,εs为静态介电常数,τ为弛豫时间。对于蒸馏水,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

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(4)

可见,介电常数的大小和工作频率、温度有关。根据式(2)～式(4),可以绘制工作频率为4.3,4.4,4.5 GHz的介电常数随温度的变化曲线,如图1所示,可以看出随频率变化εr的变化很小,可忽略,仿真分析时,取中心频率为4.4 GHz的相对介电常数，其主要随温度变化。考虑到实际工作环境,仿真中水温设置在40～100 ℃之间。由图1可以看出,随温度升高,蒸馏水的相对介电常数逐渐变小。

图1 蒸馏水在不同频率下相对介电常数随温度的变化

2 基于SIW的无源无线温度传感器

首先，设计基于SIW结构的H面喇叭天线,天线结构如图2(a)所示,可分为三个部分,分别为馈电段,波导结构部分和喇叭结构。天线基板的材质的相对介电常数为2.65。设计并优化喇叭天线尺寸,使其中心频率为4.4 GHz。天线的馈电部分采用锥形基片集成波导—微带线转换结构[14]。微带线部分选用50 Ω微带线。优化后部分参数设计如下：w2=36 mm,w4=127 mm,l3=40 mm,l4=50.16 mm,天线厚度10 mm,利用CST Stdudio进行仿真分析,观察其S参数曲线,结果如图2(b)所示,中心工作频率在4.4 GHz,符合设计要求。

图2 天线结构和仿真曲线

在SIW喇叭天线的基础上增加一个封闭的液体管道,并在接收端放置一个普通的H面喇叭天线组成收发系统,系统结构如图3所示,其中封闭液体道放置于SIW波导段的中心位置,管道内通入蒸馏水,管道外侧放置周期性的金属线以抑制TM模,并用金属圆环连接起来。SIW可与电缆接头、高压开关柜等直接接触。管内蒸馏水的相对介电常数常数随环境温度变化,且不受其他环境因素影响。

图3 无线温度传感系统

观察温度变化时的系统的传输系数仿真结果如图4(a)所示,可以看出系统谐振频率随蒸馏水温度升高而发生蓝移。这是因为温度越高,蒸馏水相对介电常数越低,因而谐振频率越高。谐振频率随温度变化的曲线如图4(b)所示,可以看到谐振频率随温度变化近似线性变化。

图4 仿真结果

选取45,70,90 ℃时观察SIW中管道中心位置截面的电场分布,如图5所示,可以观察到明显的电场束缚现象,ELSPs均为二极谐振模式。

图5 不同温度时谐振模式的电场分布

3 结 论

本文提出并仿真验证了基于ELSPs的无源无线温度传感器。在SIW中构造ELSPs,并在其空腔中填充蒸馏水。由于外界温度变化时,蒸馏水的相对介电常数随之变化,带来ELSPs的谐振频率的明显偏移,由此可以反演出环境温度,从而实现对电力系统温度的无源无线监测,对保障系统安全具有重要意义。