CINRAD/CD型天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)速調(diào)管故障診斷分析

羅 紅，陳 熹

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

都勻CINRAD/CD型天氣雷達(dá)自2005年1月正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái)，至今發(fā)射機(jī)運(yùn)行總加高壓累計(jì)時(shí)間為47 425 h。2009年因速調(diào)管失效更換過(guò)1只，2只速調(diào)管加高壓運(yùn)行時(shí)間已上萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)出廠標(biāo)稱時(shí)間5 000 h。在近8 a的使用中，發(fā)射機(jī)總故障次數(shù)共15次，其中發(fā)射機(jī)調(diào)制器故障4次，掉高壓故障8次，速調(diào)管失效故障1次，發(fā)射功率偏低故障2次。速調(diào)管長(zhǎng)期處于高溫高壓的工作環(huán)境，故障出現(xiàn)幾率較高，一旦出現(xiàn)故障將直接影響雷達(dá)探測(cè)信息的采集，導(dǎo)致影響天氣探測(cè)業(yè)務(wù)。通過(guò)多次對(duì)發(fā)射機(jī)速調(diào)管進(jìn)行維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)信息的變化，找出速調(diào)管故障具體的維修措施，為其他從事雷達(dá)故障排除的機(jī)務(wù)人員提供參考，更好的保障新一代天氣雷達(dá)正常業(yè)務(wù)運(yùn)行，在減災(zāi)防災(zāi)中發(fā)揮更大的作用。

2 速調(diào)管工作原理

CINRAD/CD型天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用KC4082型永磁聚焦速調(diào)管，利用直線運(yùn)動(dòng)的電子注與微波場(chǎng)交換能量，輸出大功率微波信號(hào) 。它由6個(gè)主要部分組成:電子槍;射頻結(jié)構(gòu);永磁聚焦系統(tǒng);收集極;輸入輸出耦合裝置;鈦泵電源。其工作原理:從陰極發(fā)射出去的電子，經(jīng)過(guò)電子槍的作用形成均勻速度和密度的電子注，饋入輸入腔激起高頻振蕩，在腔內(nèi)的高頻電場(chǎng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)電子速度調(diào)制，電子注進(jìn)入無(wú)電場(chǎng)的漂移管，快電子趕上慢電子，形成群聚，實(shí)現(xiàn)電子密度調(diào)制，群聚電子穿過(guò)輸出腔激起感應(yīng)電流，與高頻場(chǎng)進(jìn)行能量交換，大部分轉(zhuǎn)換成熱能通過(guò)風(fēng)機(jī)帶走，約35%的剩余電子轉(zhuǎn)換成動(dòng)能打到收集極上，最終實(shí)現(xiàn)微波放大與振蕩，經(jīng)波導(dǎo)送至天線，完成電磁波發(fā)射。

圖1 發(fā)射機(jī)高頻微波鏈路

3 速調(diào)管高頻微波鏈路特點(diǎn)

如圖1所示，速調(diào)管外圍電路分為:功放分機(jī)、燈絲偏磁分機(jī)、速調(diào)管、脈沖變壓器和鈦泵電源，這5部分組成速調(diào)管高頻微波鏈路電路。功放分機(jī)，將頻綜送來(lái)的約10dBW激勵(lì)信號(hào)經(jīng)輸入衰減、固態(tài)放大、輸出衰減器、濾波調(diào)整輸出1.8W脈沖微波信號(hào)達(dá)到調(diào)管的最佳激勵(lì)狀態(tài);燈絲偏磁分機(jī)，提供燈絲電源、脈沖變壓器偏磁電源，同時(shí)提供冷卻風(fēng)機(jī)缺相保護(hù)功能;脈沖變壓器，將調(diào)制器送來(lái)的低電壓、大電流調(diào)制脈沖經(jīng)轉(zhuǎn)換成高電壓、小電流調(diào)制脈沖，提供給速調(diào)管陰極;速調(diào)管，作為發(fā)射機(jī)的末級(jí)功率放大器，將功放分機(jī)送來(lái)的2W脈沖微波信號(hào)放大至250 kW;鈦泵電源，確保速調(diào)管在工作中不會(huì)因?yàn)檎婵斩炔粔蚨绊懻９ぷ骱蛪勖?，工作時(shí)為其提供鈦泵電源，同時(shí)對(duì)過(guò)大的鈦泵電流提供保護(hù)。

4 典型故障分析

4.1 速調(diào)管失效無(wú)回波故障

故障現(xiàn)象:體掃時(shí)無(wú)回波，重啟雷達(dá)仍無(wú)回波，高壓可加，天線正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

診斷分析:在觀察到無(wú)回波的情況下，首先判斷是接收機(jī)故障還是發(fā)射機(jī)故障。如檢查接收機(jī)各工作指示燈均正常，場(chǎng)放電流很小接近，標(biāo)校檢查也正常，則判斷接收機(jī)正常，故障定位在發(fā)射機(jī)上。檢查發(fā)射機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)正常，燈絲電流、電壓正常，鈦泵電源電流、電壓均合格，高壓、磁場(chǎng)1，2的電流、電壓是否正常，速調(diào)管KLY注電流正常為45～50 mA，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，比正常值偏低，如速調(diào)管KLY注電流為30 mA左右，此時(shí)同時(shí)測(cè)量高頻輸入的信號(hào)，用示波器可觀察到脈沖寬度約為10 us，輸入信號(hào)正常。高頻輸出的信號(hào)如圖2，通過(guò)速調(diào)管收集極耦合脈沖輸出波形脈寬＞1 us和幅度10 V(正常幅值14 V)，波峰結(jié)束時(shí)出現(xiàn)“凹槽”，“凹槽”達(dá)到整個(gè)脈沖幅度的1/2，約5 V左右時(shí)，發(fā)射脈沖高度明顯下降，接受機(jī)誤認(rèn)為出現(xiàn)主副2個(gè)脈沖無(wú)法識(shí)別，所以發(fā)射功率、回波強(qiáng)度基本沒(méi)有，判斷故障出在速調(diào)管上。經(jīng)過(guò)上述檢查速調(diào)管所有外部工作環(huán)境均正常，但速調(diào)管KLY注電流比較低，輸出脈沖波形幅度降低，再根據(jù)速調(diào)管使用的時(shí)間，在出現(xiàn)此類情況下，可斷定速調(diào)管老化失效了，應(yīng)立即更換備件。

故障總結(jié):燈絲、鈦泵、注電流、磁場(chǎng)電源等是速調(diào)管技術(shù)指標(biāo)，在外部環(huán)境都正常的情況下，注電流、脈沖輸出波形和服役時(shí)間是判斷速調(diào)管失效的重要依據(jù)［1］。更換新管后，鈦泵電流往往偏高，應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間開低壓對(duì)新管進(jìn)行老練，使鈦泵電流降下來(lái)，待電流＜5 uA后，可開高壓工作。

4.2 掉高壓故障

故障現(xiàn)象:體掃時(shí)頻繁掉高壓，掉高壓后準(zhǔn)加燈熄滅無(wú)回波，故障復(fù)位后，準(zhǔn)加可加，高壓恢復(fù)，雷達(dá)可正常運(yùn)行，運(yùn)行一段時(shí)間多次掉高壓，復(fù)位又可恢復(fù)。

診斷分析:掉高壓后無(wú)任何報(bào)警出現(xiàn)，雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)只有幾M(正常9層體掃數(shù)據(jù)為12 M)，PUP產(chǎn)品數(shù)據(jù)也就只有1 kB。出現(xiàn)此類故障時(shí)，應(yīng)先從發(fā)射機(jī)開始排查，首先，檢查發(fā)射監(jiān)控分機(jī)面板是否有故障指示，其次，檢查調(diào)制柜底板上的保險(xiǎn)絲有無(wú)燒壞的情況，可排除元器件損壞的可能;對(duì)各機(jī)柜除塵清潔處理，并更換發(fā)射機(jī)高頻柜散熱軸流風(fēng)機(jī)，用溫度測(cè)試儀，多次測(cè)量的高頻柜內(nèi)的溫度此時(shí)都超過(guò)40℃，而符合發(fā)射機(jī)本身溫度指標(biāo)在0～40℃。說(shuō)明機(jī)柜內(nèi)溫度長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高，速調(diào)管無(wú)法穩(wěn)定的工作出現(xiàn)頻繁掉高壓現(xiàn)象。高頻柜內(nèi)速調(diào)管高頻高壓高溫器件需要良好的通風(fēng)散熱系統(tǒng)，如圖2所示出廠設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)，速調(diào)管50dB增益特性，僅有30%經(jīng)過(guò)天線以電磁波形式發(fā)射出去，剩余70%轉(zhuǎn)化成熱能主要通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)帶走，機(jī)柜內(nèi)其余器件熱量通過(guò)機(jī)柜頂和側(cè)面的軸流風(fēng)機(jī)散熱，由于冷卻風(fēng)機(jī)的風(fēng)道呈“L”型，排出來(lái)的熱空氣需要拐彎才抵達(dá)出風(fēng)口，阻滯了熱空氣順利排除，溫度過(guò)高軸流風(fēng)機(jī)也不能及時(shí)排除熱量［3］。此時(shí)應(yīng)在機(jī)房室內(nèi)加設(shè)空調(diào)制冷，讓發(fā)射機(jī)溫度下降，并監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)的溫度，使之保持在40℃以下，拷機(jī)運(yùn)行，確保故障不再出現(xiàn)。

故障總結(jié):發(fā)射系統(tǒng)由于偶然的因素出現(xiàn)掉高壓現(xiàn)象，可復(fù)位后繼續(xù)工作，但是連續(xù)數(shù)次復(fù)位后開機(jī)掉高壓，應(yīng)針對(duì)相應(yīng)的故障進(jìn)行分析、檢查。溫度往往是發(fā)射系統(tǒng)故障、隱患的重要參數(shù)，不可忽視。機(jī)柜溫度有效合理的控制，可保證速調(diào)管長(zhǎng)期安全地使用和雷達(dá)整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 速調(diào)管通風(fēng)系統(tǒng)框圖(箭頭代表風(fēng)道方向)

4.3 發(fā)射功率偏低，回波減弱故障

故障現(xiàn)象:探測(cè)到回波減弱，測(cè)量發(fā)射功率值偏低。

診斷分析:如發(fā)現(xiàn)探測(cè)到的回波信號(hào)明顯減弱，同時(shí)測(cè)量發(fā)射機(jī)峰值功率只有180 kW，通過(guò)調(diào)整可變衰減器勉強(qiáng)達(dá)到200 kW，并且功率的波動(dòng)幅度也明顯大于前期，除此以外，雷達(dá)系統(tǒng)沒(méi)有其他故障報(bào)警指示，脈沖重復(fù)頻率等一系列指標(biāo)也無(wú)異常，測(cè)量脈沖調(diào)制波形正常輸出，可以初步判斷故障出在全固態(tài)調(diào)制器的幾率不大。因?yàn)楣收弦坏┌l(fā)生在全固態(tài)調(diào)制器，加在速調(diào)管陰極的脈沖調(diào)制將出現(xiàn)紊亂或無(wú)法提供脈沖變壓器初級(jí)所需的40～45kV的脈沖高壓，從而導(dǎo)致脈沖重復(fù)頻率等指標(biāo)出現(xiàn)異常，或者使速調(diào)管的輸出功率降得很低甚至沒(méi)有輸出，而不會(huì)像此現(xiàn)象，功率依然能穩(wěn)定在200 kW這樣一個(gè)“相對(duì)較高”的水平上。

綜上分析，故障發(fā)生在高頻放大鏈的幾率較高，所以故障檢測(cè)的重點(diǎn)應(yīng)放在高頻放大鏈上，根據(jù)高頻放大鏈的信號(hào)流程，進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。高頻輸入信號(hào)來(lái)自頻綜，對(duì)射頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得峰值功率為10 mW，脈沖寬度約為10μs，說(shuō)明高頻輸入信號(hào)正常，高頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)功放進(jìn)行初級(jí)放大，滿足速調(diào)管激勵(lì)輸入。用功率計(jì)測(cè)得激勵(lì)器實(shí)際輸出信號(hào)為1.1 W，可以判定故障出在功放上，測(cè)量功放上的GASMOSFET主放大器3A5輸出，輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿中部出現(xiàn)了一個(gè)“拐點(diǎn)”，導(dǎo)致脈沖寬度減小。因?yàn)樯仙爻霈F(xiàn)了“拐點(diǎn)”，其占有的時(shí)間相對(duì)較多，導(dǎo)致脈寬減小，脈沖信號(hào)的占空比也隨之減小。無(wú)論是功率計(jì)還是雷達(dá)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)的功率參數(shù)顯示，都與占空比成正比例關(guān)系，占空比的減小必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)射功率的下降。主放大器3A5輸出重新測(cè)量輸出波形，上升沿“拐點(diǎn)”消失，脈沖寬度正常，用功率計(jì)測(cè)得發(fā)射峰值功率為250 kW，拷機(jī)48 h，輸出功率穩(wěn)定，故障排除。

故障總結(jié);調(diào)節(jié)可變衰減器，峰值功率以及發(fā)射脈沖包絡(luò)的波形都跟隨著改變，說(shuō)明可變衰減器性能完好［4］;速調(diào)管放大器，一旦損壞，發(fā)射功率就會(huì)降得非常低甚至沒(méi)有輸出，所以此次出現(xiàn)的情況，肯定不會(huì)是由速調(diào)管引起的;保護(hù)組件，起監(jiān)測(cè)高頻電弧及高頻反射檢波包絡(luò)幅度的作用，如果超限，將立刻切斷高壓，而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)射功率陡降但仍有部分輸出的情況。

5 小結(jié)

在新一代天氣雷發(fā)射機(jī)中，速調(diào)管作為高頻鏈路的末級(jí)放大器，需要掌握原理特點(diǎn)以及外圍電路設(shè)計(jì)特點(diǎn)，定期檢查速調(diào)管各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，控制環(huán)境溫度，提前消除故障隱患就能保證其良好的性能，并更好地延長(zhǎng)各器件的使用壽命，減低故障發(fā)生率。

［1］李勇，黃丹萍，王靜.新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)速調(diào)管失效判斷［J］.氣象科技，2010，38(3):344 －346.

［2］徐八林，劉黎平，張濤，等.CINRAD/CC雷達(dá)速調(diào)管運(yùn)行狀態(tài)控制［J］.氣象，2006，37(3):373 －378.

［3］李培明.CINRAD/CC雷達(dá)冷卻故障個(gè)例分析［J］.氣象科技，2008，36(1):123 －124.

［4］吳少峰，胡東明，胡勝.一次CINRAD/SA雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率偏低故障的分析及處理［J］.氣象，2009，35(10):108－112.