动车组高压电气设备是列车牵引系统的重要组成部分,其服役状态直接影响着动车组的运行安全。当前,高压电气设备因绝缘性能退化等因素导致的局部放电等异常放电现象时有发生,严重时会造成行车事故,因此迫切需要对其开展服役状态的在线监测。基于电磁辐射信号对电气设备进行状态监测是一种新型的先进监测方法,其采用非接触的形式接收信号,并智能分析识别放电程度和类型,同时实现准确定位。研究宽频带、小型化、高增益的天线传感器和高灵敏度、宽动态范围的检测系统是实现基于电磁辐射信号监测动车组高压电气设备状态的重要前提。本论文首先对天线基本参数、宽频带天线技术、小型化天线技术和检测系统相关理论进行阐述;然后采用宽频带小型化等天线技术设计出满足局放检测需求的蝶形天线和多种放电检测需求的渐变缝隙（Vivaldi）天线;接着对检测系统硬件部分进行系统性分析,完成重要器件的仿真设计;最后将基于时间差（TDOA）的定位方法运用在动车组车顶放电定位中。具体工作如下:（1）在传统蝶形天线的基础结构上,针对宽频带、小型化的设计目标,完成蝶形天线传感器的研究与设计。通过弯折辐射臂边沿增长电流路径;通过弯曲辐射臂末端减小反射电流以改善表面电流分布;通过装载矩形金属反射腔实现单向辐射、提高增益,并且引入谐振点减小低频反射系数;通过对靠近天线辐射臂末端处开缝加载电阻减小0.3-0.4 GHz的输入阻抗完成匹配。该蝶形天线平面尺寸为200 mm×100 mm,仿真和实验结果表明,在300-1800 MHz频带内驻波比小于2,最高增益为3.7 d Bi。使用该天线进行的放电检测实验表明,该天线在较小的尺寸下能有效接收动车组弓网放电和绝缘子放电的电磁辐射信号。（2）在传统Vivaldi天线的基础结构上,针对宽频带、小型化和减小最低工作频率的设计目标,完成Vivaldi天线传感器的研究与设计。通过在矩形谐振腔加载电阻,短接馈电线和辐射贴片并优化渐变馈电线结构,使得Vivaldi天线在极低频率具有较小的反射系数;通过在辐射贴片上方加载电阻和金属贴片延长电流路径实现低频反射系数的进一步降低。该Vivaldi天线传感器平面尺寸为180 mm×122.4 mm。仿真和实测结果表明,该天线传感器在10 MHz-3 GHz频带内驻波比小于2.5,能检测包括局部放电的多种异常放电。（3）针对目前检测系统灵敏度较低和动态范围较窄的问题,完成检测系统的研究与设计。首先确定整体检测系统软硬件各部分功能需求,然后对硬件部分进行系统化设计,将检测系统按功率分成两路进行信号调理。系统链路设计完成后,分别设计带通滤波器、射频开关、低噪放大器和包络检波器单元使其所构建的系统能满足要求。仿真结果表明,所设计的各器件单元组成的检测系统具有-60 d Bm的高灵敏度和70 d B的宽动态范围。（4）针对目前还没有系统地将电磁检测技术用于动车组高压电气设备服役状态监测的情况,对基于时间差的定位方法进行研究。首先建立实际车体模型和偶极子放电源模拟放电环境,然后使用所设计的Vivaldi天线构建平面矩形定位阵列。通过天线所接收信号的时域波形计算放电源位置,分析结果表明,通过该方法产生的定位误差在10 cm以内,可用于动车组车顶高压电气设备的放电定位。