电晕检测系统中低噪放大器的设计

　　摘要：远距离检测电晕放电现象，对于减少放电损耗和避免电气故障，具有重要的指导意义。在由螺旋天线、无源滤波器、低噪放大器等组成的远距离电晕检测系统中，信号经无源滤波后受到较大程度的衰减，为提高信噪比需进行放大处理。根据电晕检测系统指标，采用晶体管构成深度负反馈放大电路，将其三级级联，设计出能与滤波器接口和后端的同轴电缆的接口较好的匹配的低噪放大器。利用ADS软件进行仿真并进行实际现场测试，结果表明放大器符合设计标准，具有良好的输人/输出匹配性能，带宽和增益的取舍需要根据实际要求来平衡，为电晕检测系统的成功设计奠定了基础。

　　引言

　　随着我国电力事业的持续蓬勃发展以及特高压输电工程的投入使用，电晕放电的危害日益凸显。在目前的检测电晕放电现象领域中，主要的检测方法有人工目视法、红外热成像检测法、紫外光谱检测法、脉冲电流检测法和超声波检测法^[1-3]等。但是这些方法普遍存在检测距离近的局限，不适用于电晕放电的远距离检测。近年来，远距离的检测方法成为电晕放电现象检测的热点。本文基于一种远距离的检测法——电磁检测法^[2]，研究设计了一套电晕放电检测系统。该系统主要由螺旋天线、无源滤波器、低噪放大器三部分组成，可以实现远距离检测电晕放电现象。在这套电晕检测系统中，高频宽带低噪放大器起着至关重要的作用。故本文在大概介绍电晕检测系统的总体架构的基础上，着重来介绍低噪放大器^[4-6](LNA，Low Noise Amplifier)的设计过程。

　　1 电晕检测系统检测原理及架构

　　当发生电晕放电现象时，会伴随有电磁辐射信号发出，其具有非常明显的波形特征。因此电晕放电产生的电磁辐射信号可以作为检测电晕放电现象的突破口。本文所述电晕检测系统检测电晕放电现象所采用的方法就是——电磁检测法。在电晕检测系统中必须选择特定的频带来检测电晕放电产生的电磁辐射信号，从而有效的避开广播电台、手机信号等各个干扰信号所在频带范围。本文选定220MHz-280MHz为特征频带进行电晕放电电磁辐射信号的检测，经过调研相关的资料文献^[7]和户外实验，这个频带在无线电频谱规划中是相对空闲的，没有什么空间无线电信号的干扰。

　　本文所述电晕检测系统的总体设计流程如图1所示。

　　首先，螺旋天线对准高压电力设备或是高压输电线的某段位置，当有电晕放电现象发生时，其就会激发电磁场产生空间电磁波信号。天线将接收到的信号送入后端的无源模拟滤波器进行滤波。由于信号本身就很微弱并且还经过了无源滤波器，所以这时需要通过低噪放大器进行相应的幅度放大，然后利用不等长的同轴电缆对天线接收到的信号进行相应的延时反相。

　　其中高频宽带放大器除了补偿前级无源滤波网络的衰减外，还对信号作进一步的放大，可以较大幅度的提高电晕放电辐射信号的信噪比，使信号达到后端信号采集设备的采集分辨范围，以使所接收的信号能够精确被采集。所以这里的低噪放大器的设计决定了电晕检测系统的精确程度，是电晕检测系统设计的关键所在，也是本文论述的重点。

　　2 低噪放大器的设计

　　2.1 设计标准

　　在本文中，设计低噪放大器应该满足以下方面的指标：① 噪声系数≤2dB;② 放大增益≥30dB;③ 特征频带为：220MHz-280MHz;④本设计中全部采用50Ω的接口和耦合，故放大器的输入/输出阻抗一定要严格匹配到50Ω;⑤低噪放大器稳定工作，不能够产生自激。

　　综合以上五个方面的内容，接下来就展开对低噪声放大器的探索设计。

　　2.2 输入回路

　　在低噪放大器的前端，为了进一步提高天线接收信号的信噪比，本文在此处引入一个无源模拟滤波器作为输入回路，提取出特征频带(220MHz-280MHz)内的信号，抑制带外干扰信号。

　　本文在此采用的模拟滤波器是一个LC无源带通滤波器，该输入回路是一种集总参数电路，其电路原理图2所示。其由保护电路、低通滤波器、高通滤波器和两个高频陷波器^[8]四部分组成。

　　图2中：D1、D2、L1为输入保护电路，它并接在天线输入端，其中D1和D2选用型号为1SS355的高速开关二极管，其目的是保护第一级高频放大管。因为在电晕放电现象发生的瞬间，极短时间内会产生很大的冲击幅度，很容易对电路造成损坏。故当有异常的高压出现在输入端时，需要有限幅保护电路来发挥作用。该开关二极管的反向击穿电压为80V，反向电流为0.1µA，反向恢复时间为4ns，耗时极短，正向导通电压1.2V，正向导通最大电流225mA，结电容小于3pF，其特性非常适合用于保护电路。 L1为抵消二极管结电容设置，它与开关二极管的结电容构成一个低Q值的并联谐振回路，两个二极管并联的结电容值为6pF，L1的值为0.068µH，将其带入公式

　　计算可得其谐振频点的值为249MHz，即中心频率点。