GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收系統(tǒng)原理及常見故障處理

劉秋榮 李春娥

（1.新疆哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密 839000；2.新疆信息工程學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830000）

0 概述

接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是通過預(yù)選濾波、放大、變頻、濾波、解調(diào)等方法最大限度獲得有用回波信號，同時濾除無用信號，將目標(biāo)反射或散射回的微弱射頻信號變成有足夠幅度的視頻或數(shù)字信號，用以滿足信號處理的要求。GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)是中國氣象局新一代高空氣象探測雷達(dá)，其接收系統(tǒng)采用了單通道、單脈沖二次雷達(dá)工作體制,它與數(shù)字探空儀相配合，將回答器回答的微弱射頻信號放大成有足夠幅度的視頻信號，送至測角、測距、天控、數(shù)字終端等系統(tǒng)，用以解調(diào)有用信號和實現(xiàn)測距、測角的自動跟蹤以及對雷達(dá)的控制。所以，接收系統(tǒng)性能的穩(wěn)定，直接影響雷達(dá)其它系統(tǒng)的正常工作以及探測的精度[1]。

新疆區(qū)2006年完成安裝并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的有十四部。多年的業(yè)務(wù)運(yùn)行表明，該雷達(dá)工作狀態(tài)良好，探測精度較原來710型雷達(dá)相比有較大提高。但是，接收和天控系統(tǒng)的故障率較高，影響了探測的精度及數(shù)據(jù)的完整，本文重點(diǎn)從雷達(dá)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理入手，分析可能產(chǎn)生故障的原因以及對其它系統(tǒng)的影響，找出解決問題的辦法。

1 GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收機(jī)的各部分功能及基本原理

1.1 GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收機(jī)的各部分功能及技術(shù)指標(biāo)

GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收系統(tǒng)由前、后端兩部分組成，前端由前置低噪聲放大器、限幅器、環(huán)流器、射頻濾波器、射頻放大器、變頻器、前中放大器等組成，安置在室外和差箱和天線座內(nèi)，完成射頻的預(yù)選、放大、變頻和穩(wěn)定射頻及前中放大器增益等功能；后端由中頻通道盒、探空單元11-1板組成，安置在室內(nèi)主控箱中，完成放大、檢波、鑒頻、AGC控制、AFC控制等功能。中頻通道盒和探空單元將得到的30MHz中頻信號經(jīng)變換后送至測距、測角、數(shù)據(jù)終端、天控、自檢/譯碼等系統(tǒng)，其組成框圖如圖1所示，該框圖顯示了GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收系統(tǒng)的工作原理和各種功能[2]。

GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)的工作頻率為1675±6MHz，是目前氣象部門二次測風(fēng)雷達(dá)的主要工作頻段，工作在這個頻段具有作用距離遠(yuǎn)、外部噪聲低、天線尺寸小、角分辨率高等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)：

工作頻率：1675±6MHz

本振頻率：1645±6MHz

靈敏度：≤-107dBm

帶寬：2.7MHz

總增益：≥110dB

AGC控制能力：≥70dB

AFC跟蹤范圍：±4MHz

圖1 GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收系統(tǒng)框圖

1.2 GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收機(jī)的基本原理

GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收系統(tǒng)由前端和后端兩部分組成，功能是將天線所接收到的探空儀射頻信號加以放大、變頻、解調(diào)送到測距、天控分系統(tǒng)以完成測距和跟蹤應(yīng)答器的功能。此外還將探空儀發(fā)回的探空碼解調(diào)出來，送到數(shù)據(jù)處理終端得到溫、壓、濕數(shù)據(jù)。同時還在測距分系統(tǒng)送來的主抑觸發(fā)脈沖的控制下，完成主波抑制功能以消除發(fā)射主波和近地物回波對AGC、AFC功能的影響。實現(xiàn)了角度自動跟蹤、自動測距、自動數(shù)據(jù)處理、近距離抓球與近距離測距。主要分電路原理分述如下：

1.2.1 前置高放

前置高放為低噪聲場效應(yīng)管放大器，常用于接收系統(tǒng)的前端，對天線信號進(jìn)行放大，并有效的提高接收系統(tǒng)的靈敏度。GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)前置高放使用ATF10136低噪聲場效應(yīng)管放大器，具有低噪聲、較低反射系數(shù)和良好的穩(wěn)定性。在4GHz時噪聲僅為0.5dB，增益約為13dB，輸出功率最高可達(dá)20dBm。設(shè)置前置高放的目的是為了減小饋線損耗對雷達(dá)遠(yuǎn)距離跟蹤的影響。

1.2.2 高頻組件

高頻組件由高頻帶通濾波器、射頻放大器、本振、混頻器、前中放大器以及射頻、前中增益和頻率控制器組成。高頻帶通濾波器采用腔體機(jī)械濾波器，腔體濾波器為頻率可調(diào)的帶通濾波器。腔體機(jī)械濾波器由諧振腔、調(diào)諧螺釘?shù)冉M成，通過調(diào)諧螺釘改變諧振頻率實現(xiàn)可調(diào)的濾波特性。其作用是濾除工作頻率以外的其他干擾，包括對鏡像信號的抑制。濾波器的電氣性能通常用回波損耗、插入損耗、帶外抑制等特性來描述，濾波器的插入損耗越小，回波損耗越大，系統(tǒng)的匹配特性越好；帶外抑制越高，系統(tǒng)對帶外干擾的抑制越大。在機(jī)械特性上，要求濾波器的體積小、重量輕并具有穩(wěn)定的溫度、時間、電平特性。

本振為三點(diǎn)式振蕩器，頻率的調(diào)整由變?nèi)荻O管來實現(xiàn)，振蕩輸出的信號經(jīng)一定的功率推動后送到混頻器。本振信號還耦合出一部分信號送到分頻器，分頻后的25kHz左右的方波信號送入主控箱中的終端板，終端板對其計數(shù)再乘以分頻數(shù)后在雷達(dá)控制界面上顯示出來。一般來說中頻放大器和濾波器的頻率是相對穩(wěn)定的，但在實際工作中，由于發(fā)射機(jī)磁控管振蕩器和接收機(jī)的本機(jī)振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，當(dāng)外界條件變化時，只要其中一個頻率發(fā)生了變化，混頻后得到的實際中頻就會與額定中頻有偏差，造成接收機(jī)靈敏度及增益都會下降，嚴(yán)重時甚至看不到回波信號。為了防止這種情況在該電路中采用了自動頻率控制（AFC）電路，AFC控制范圍±4MHz。

混頻器將雷達(dá)接收到的1675±6MHz信號與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的1645±6MHz信號通過下變頻后變換成30MHz的中頻信號，再經(jīng)中頻放大器放大濾波。由于雷達(dá)觀測時目標(biāo)遠(yuǎn)近的變化，會產(chǎn)生信號強(qiáng)弱的變化，為防止由于強(qiáng)信號引起的接收機(jī)過載，補(bǔ)償接收機(jī)增益的不穩(wěn)定，要求對接收機(jī)的增益可進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號強(qiáng)時，接收機(jī)工作在低增益狀態(tài)，當(dāng)信號弱時，接收機(jī)工作在高增益狀態(tài)。從圖1中看出，GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)在射頻、中頻放大器中設(shè)置了增益控制電路，其AGC控制能力≥70dB，保證了增益的穩(wěn)定性及測高精度。

1.2.3 中頻通道盒和探空通道單元

前中輸出的30MHz信號送至室內(nèi)主控箱中的中頻通道盒，經(jīng)三級單片放大，再經(jīng)功分器分成兩路，一路送至測距，同時對此信號檢波、放大得到AGC電壓，分別送到射頻和前中放大，完成自動增益控制功能。另一路為角支路，經(jīng)放大、鑒頻，得到鑒頻電壓送至高頻組件中的本振，完成自動頻率控制。

2 GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收機(jī)典型故障分析與處理

雷達(dá)接收機(jī)的工作性能與其他系統(tǒng)密切相關(guān)，往往接收機(jī)的故障，會表現(xiàn)在其它系統(tǒng)，是維修人員難以判斷或者走彎路，下面根據(jù)接收機(jī)原理就一些典型故障進(jìn)行分析[3-4]。

2.1 增益幅度不夠，接收機(jī)靈敏度下降，雷達(dá)工作到后期時，探空碼飛碼增多

該故障的特點(diǎn)是，初始放球探空碼飛碼少甚至無飛碼，工作到后期探空碼飛碼逐漸增多，如圖2-b所示，但是雷達(dá)自初始放球到工作結(jié)束，數(shù)據(jù)接收、測距、測角自動跟蹤正常。

圖2 探空碼正常和非正常數(shù)據(jù)圖

結(jié)合接收機(jī)放大器和增益控制原理分析可知，引起該故障的因素很多。探空儀、前置高放、高頻組件、隔離器、限幅器、環(huán)流器工作狀態(tài)不好，接收通路中信號線纜、高頻接插件接觸不良引起信號的衰減，外部及地物干擾等都可能引起探空飛碼多。

排除方法對無測試手段的臺站來說，一般只能采用替換法。用不同批次探空儀作放球?qū)嶒灪陀美走_(dá)炮瞄鏡觀察低仰角時是否由于地物干擾造成，首先排除探空儀、地物干擾因素。然后檢查、擦洗、緊固接收通道信號線纜插頭，高頻接插件等。再對前置高放、高頻組件、中放單元進(jìn)行更換。在無果的情況下，可提高中頻放大器增益進(jìn)行解決。這種方法費(fèi)時、費(fèi)力，且需有大量的備件予以支持。

對于有經(jīng)驗和具備測試手段的維修工作者，可用網(wǎng)絡(luò)分析儀或射頻分析儀對接收通路的信號線纜逐段進(jìn)行測試，從測試駐波比分析其線纜、高頻接插件接觸是否良好，一般駐波比應(yīng)≤1.4左右。用信號源、頻譜儀分別檢查前置高放，高頻組件、接收系統(tǒng)的增益及靈敏度等，測試結(jié)果應(yīng)符合前置高放、高頻組件、接收系統(tǒng)規(guī)定的增益及靈敏度指標(biāo)，通過測試可以直觀的找出故障部位。

通過測試判斷，該故障是由于中頻放大器元器件老化等造成增益幅度、靈敏度下降所致，需對中頻放大器部分器件進(jìn)行微調(diào)整，調(diào)整步驟是將原中放電路中C26電容由原來30P增大到100P，提高中放對信號的放大能力和靈敏度，同時也應(yīng)檢查、調(diào)整探空通道板R66、R26對地電壓分別為-0.4V、6.0V左右，經(jīng)過以上調(diào)整，探空飛碼問題得以解決。

2.2 前置高放增益下降，信號線纜接觸不良等，不能工作到球炸

前置高放增益下降，信號線纜接觸不良是頻發(fā)的故障現(xiàn)象，前置高放增益下降或信號線纜接觸不良時不僅起不到對小信號的放大作用，反而造成信號的衰減。明顯的特點(diǎn)是在探空儀不工作情況下數(shù)據(jù)終端顯示增益讀數(shù)在120-125之間，這種情況下放球到40分鐘左右，四條亮線發(fā)虛，增益飽和，信號消失。

臺站依然通過更換前置高放和檢查清潔保養(yǎng)緊固信號線纜插頭及高頻接插件等解決。長期工作經(jīng)驗表明，前置高放增益≤7dB時（正常時應(yīng)≥13dB）、前置高放輸入線纜插頭（SMA）脫落、WT9線纜接觸不良或芯線短路時會產(chǎn)生該故障。

當(dāng)然，高頻組件、中頻放大盒出現(xiàn)故障時，也會造成增益下降，但是這種情況發(fā)生時增益飽和，茅草幅度低，雷達(dá)無法正常工作。其原因是雷達(dá)在長期工作中，前置高放工作性能下降，天線運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生抖動，加之新疆冬、夏季溫差較大，處在室外的線纜和高頻接插件由于熱脹冷縮而產(chǎn)生形變，造成室外的線纜插頭和高頻接插件松動或氧化接觸不好，造成信號的衰減。因此，要加強(qiáng)日常的維護(hù)保養(yǎng)。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合GFE(L)型二次測風(fēng)雷達(dá)接收機(jī)原理，討論了因接收機(jī)靈敏度和增益下降兩類故障現(xiàn)象以及解決方法，這兩類故障似乎有相同之處即增益幅度下降，但仔細(xì)分析是有區(qū)別的。第一類故障是由于器件變性而引起的軟性故障，檢查、發(fā)現(xiàn)解決問題的難度較大。當(dāng)然造成探空飛碼多的因素很多，其表現(xiàn)形式又有區(qū)別，在解決問題時，對具體情況要作具體分析。第二類故障比較直觀，易于發(fā)現(xiàn)解決。從解決兩類故障現(xiàn)象中認(rèn)知到，隨著氣象探測設(shè)備的現(xiàn)代化、電子產(chǎn)品的高科技化和復(fù)雜化，計算機(jī)硬件、軟件及信息綜合處理的快速化，這些特點(diǎn)在現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)中的應(yīng)用非常突出，熟知雷達(dá)各系統(tǒng)原理是分析解決問題的基礎(chǔ)，少走彎路以達(dá)到快速、準(zhǔn)確隔離故障，以便快速維修，達(dá)到降低雷達(dá)修復(fù)時間的目的。

［1］戈穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù),雷達(dá)技術(shù)叢書[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:1-5.

［2］李祥.某L波段二次測風(fēng)雷達(dá)天線裝置結(jié)構(gòu)總體設(shè)計[C]//第九屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會論文集.2012.

［3］吳月友.GFE（L）1型二次測風(fēng)雷達(dá)故障及維修[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(1):235-237.

［4］龍智明,肖方榮,李爭凱,段文靜.GFE(L)1型二次測風(fēng)雷達(dá)典型故障分析與維修[J].貴州氣象,2014,38(5):35-37.