航管Raytheon二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)接口原理與維修案例剖析

王海軍

（中國(guó)民用航空湖北空管分局，湖北武漢430000）

航管Raytheon二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)接口原理與維修案例剖析

王海軍

（中國(guó)民用航空湖北空管分局，湖北武漢430000）

航管二次雷達(dá)系統(tǒng)是實(shí)施民航空中交通管制的重要設(shè)備之一。隨著國(guó)內(nèi)民航業(yè)的高速發(fā)展，上世紀(jì)90年代后期至新世紀(jì)初，全國(guó)范圍內(nèi)陸續(xù)部署了幾十套加拿大Raytheon公司的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)。自投入使用以來(lái)，該雷達(dá)系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能與穩(wěn)定的雷達(dá)信號(hào)質(zhì)量，為民航空管的飛行安全保障做出了巨大的貢獻(xiàn)。但隨著服務(wù)時(shí)間的增加，部分該型號(hào)雷達(dá)已服役超過(guò)其15年的設(shè)計(jì)壽命，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及處理器等模塊逐漸老化而發(fā)生故障。本文選取了近期維修的發(fā)射機(jī)接口組件作為研究對(duì)象，通過(guò)在維修該接口組件過(guò)程中所掌握的知識(shí)，全面地闡述該組件的組成、工作原理及其維修方法。

航管二次雷達(dá)系統(tǒng)；Raytheon二次雷達(dá)；飛行安全保障；發(fā)射機(jī)接口組件

近年來(lái)，隨著我國(guó)民航事業(yè)的高速發(fā)展，航路和航班量逐年增加，空中飛行密度也相應(yīng)地不斷加大。目前，在我國(guó)大部分的空中交通管制區(qū)域，均由早期的程序管制過(guò)渡到雷達(dá)管制方式。相比程序管制，航管雷達(dá)為管制員提供了更為迅速、準(zhǔn)確、連續(xù)和豐富的目標(biāo)信息。管制員對(duì)航管雷達(dá)的依賴(lài)性正與日俱增，隨著區(qū)域管制中心多雷達(dá)自動(dòng)化系統(tǒng)的投入使用，雷達(dá)的重要性更進(jìn)一步得到了體現(xiàn)。航管二次雷達(dá)是空中交通管制的重要組成部分，中國(guó)民用航空空中交通管理規(guī)則第一百九十八條已專(zhuān)門(mén)作出規(guī)定，航管二次雷達(dá)系統(tǒng)，特別是具有單脈沖技術(shù)及S模式和數(shù)據(jù)鏈能力的雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)，可作為主要雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)單獨(dú)使用[1]。

1 航管二次雷達(dá)的組成及其工作原理

與常規(guī)的雷達(dá)利用目標(biāo)對(duì)雷達(dá)自身發(fā)射電磁波（射頻脈沖）的反射主動(dòng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并且確定其位置的工作原理不同，航管二次雷達(dá)需要與機(jī)載應(yīng)答機(jī)協(xié)同合作才能完成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。它是由地面的二次雷達(dá)設(shè)備（通常稱(chēng)詢(xún)問(wèn)機(jī)）通過(guò)天線(xiàn)的方向性波束輻射頻率為1 030 MHz的一組詢(xún)問(wèn)編碼脈沖，當(dāng)天線(xiàn)的波束指向裝有機(jī)載應(yīng)答機(jī)的飛行器時(shí)，機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到這組詢(xún)問(wèn)信號(hào)，然后根據(jù)所詢(xún)問(wèn)的內(nèi)容自動(dòng)發(fā)射回頻率為1 090 MHz的一組約定的回答編碼（射頻）脈沖。通過(guò)地面二次雷達(dá)設(shè)備的接收和檢測(cè)處理，最終完成對(duì)目標(biāo)的定位[2]。航管二次雷達(dá)的工作原理如下圖1所示。

圖1 航管二次雷達(dá)工作原理

航管二次雷達(dá)給地面管制員所提供的飛機(jī)信息包括方位、距離、高度與識(shí)別碼，其中方位和距離由二次雷達(dá)根據(jù)天線(xiàn)波束指向角與應(yīng)答信號(hào)的延時(shí)分別計(jì)算得到，而飛機(jī)的識(shí)別碼與海拔高度則包含在應(yīng)答編碼脈沖內(nèi)。當(dāng)詢(xún)問(wèn)脈沖P1與P3的脈沖間隔為8 μs時(shí)，此時(shí)雷達(dá)采用模式A進(jìn)行詢(xún)問(wèn)，所詢(xún)問(wèn)的內(nèi)容是飛機(jī)的識(shí)別碼；當(dāng)詢(xún)問(wèn)脈沖P1與P3的脈沖間隔為21 μs時(shí)，此時(shí)雷達(dá)采用模式C進(jìn)行詢(xún)問(wèn)，所詢(xún)問(wèn)的是飛機(jī)的海拔高度。通常地面站的二次雷達(dá)設(shè)備都采用模式A和模式C兩者模式進(jìn)行交替詢(xún)問(wèn)，即同時(shí)獲得飛機(jī)的識(shí)別碼和高度碼。飛機(jī)的距離、方位、高度與識(shí)別碼這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至管制席位的大屏幕顯示器上，由地面管制員與飛行員通過(guò)語(yǔ)音通話(huà)，對(duì)各空域上的飛行器進(jìn)行安全、高效的指揮協(xié)調(diào)調(diào)度管理。

2 Raytheon二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)接口組件的組成與作用

Raytheon二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、低占空比功率放大器、發(fā)射機(jī)接口組件、三個(gè)完全一致的接收機(jī)模塊、接收機(jī)接口組件、電源模塊以及點(diǎn)跡錄取器等部分組成。發(fā)射機(jī)接口組件在詢(xún)問(wèn)機(jī)中的主要作用是作為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與天線(xiàn)這三者的接口，詢(xún)問(wèn)時(shí)使發(fā)射機(jī)與天線(xiàn)連通，接收應(yīng)答時(shí)使天線(xiàn)與接收機(jī)連通。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 發(fā)射機(jī)接口組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

航管二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)時(shí)輻射P1、P2和P3脈沖，其中決定詢(xún)問(wèn)模式的P1和P3脈沖通過(guò)Σ（和）通道輻射出去，用于旁瓣抑制作用的P2脈沖則通過(guò)Ω（控制）通道輻射。因此，從低占空比功率放大器（發(fā)射機(jī)）送過(guò)來(lái)的1 030 MHz的P1、P2和P3射頻脈沖需要在發(fā)射機(jī)接口組件中進(jìn)行分離，組件中的一個(gè)PIN二極管開(kāi)關(guān)完成了這個(gè)功能。由圖2中可清晰地看到，射頻脈沖進(jìn)來(lái)后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)帶通濾波器進(jìn)行帶外信號(hào)濾除，進(jìn)而通過(guò)一個(gè)3端口的環(huán)路器。當(dāng)有反射信號(hào)時(shí)反射信號(hào)將被環(huán)路器的假負(fù)載所吸收。詢(xún)問(wèn)的射頻脈沖P1、P2和P3脈沖進(jìn)入PIN二極管開(kāi)關(guān)后將被分離出來(lái)，被分離的P1、P3射頻脈沖和P2射頻脈沖分別經(jīng)過(guò)一個(gè)4端口環(huán)路器和一個(gè)4端口濾波監(jiān)視器后被送到天線(xiàn)，分別通過(guò)天線(xiàn)的Σ波束與Ω波束輻射出去。

4端口環(huán)路器的假負(fù)載同樣用于吸收反射功率。在Σ通路與Ω通路上的4端口濾波監(jiān)視器中，分別有一部分射頻功率耦合到一個(gè)射頻檢測(cè)模塊中，通過(guò)對(duì)Σ信號(hào)（P1和P3）與Ω信號(hào)（P2）進(jìn)行視頻檢波。檢波后的視頻信號(hào)將被送到點(diǎn)跡錄取器進(jìn)行監(jiān)視。

接收時(shí)，天線(xiàn)的Σ波束，Ω波束與Δ波束同時(shí)接收到機(jī)載應(yīng)答機(jī)的1 090 MHz的應(yīng)答信號(hào)。分別經(jīng)過(guò)濾波監(jiān)視器與環(huán)路器后進(jìn)入各自的接收機(jī)模塊。

此外，發(fā)射機(jī)接口組件中還有一個(gè)重要的功能模塊——自測(cè)試振蕩器。在點(diǎn)跡錄取器的模式產(chǎn)生器板的控制下，該自測(cè)試振蕩器在P3脈沖延時(shí)13μs時(shí)刻，產(chǎn)生一個(gè)脈寬為4 μs的1 090 MHz射頻調(diào)制脈沖。該射頻脈沖被三路功分器分成三路相等的幅度輸出（含有3 dB衰減），經(jīng)過(guò)相應(yīng)的濾波監(jiān)視器和環(huán)路器注入三個(gè)接收機(jī)模塊中。用于詢(xún)問(wèn)機(jī)在發(fā)射期間對(duì)接收機(jī)與錄取器進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

綜上所述，發(fā)射機(jī)接口組件在詢(xún)問(wèn)機(jī)中所起到的作用有以下三點(diǎn)：

（1）作為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與天線(xiàn)三者的接口，發(fā)射時(shí)使發(fā)射機(jī)與天線(xiàn)連通，接收時(shí)使接收機(jī)與天線(xiàn)連通。

（2）將P1、P2、P3脈沖分離出來(lái)，P1和P3脈沖通過(guò)Σ通路輻射，P2脈沖通過(guò)Ω通路輻射。

（3）產(chǎn)生自測(cè)試調(diào)制脈沖信號(hào)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視三個(gè)接收機(jī)模塊與錄取器的工作狀態(tài)。

3 Raytheon二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)接口組件維修案例分析

由上一節(jié)所介紹的Raytheon二次雷達(dá)發(fā)射機(jī)接口組件的組成與作用可以看出，當(dāng)該接口組件發(fā)生故障時(shí)，一般有以下兩種情況：

（1）PIN二極管開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障

出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，P1、P2、P3脈沖將不能正常進(jìn)行分離。兩種情況，當(dāng)P1、P2、P3都通過(guò)Ω通路輻射時(shí)，詢(xún)問(wèn)波束（Σ波束）將沒(méi)有P1和P3的詢(xún)問(wèn)脈沖，雷達(dá)不能對(duì)空中的飛機(jī)進(jìn)行有效詢(xún)問(wèn)，即不能探測(cè)到飛機(jī)。當(dāng)P1、P2、P3都通過(guò)Σ通路輻射時(shí)，控制波束（Ω波束）將沒(méi)有P2脈沖。根據(jù)航管二次雷達(dá)的工作原理，雷達(dá)沒(méi)有輻射P2脈沖將導(dǎo)致旁瓣抑制作用失效。此時(shí)雷達(dá)將產(chǎn)生大范圍的假目標(biāo)，給地面管制員的正常指揮調(diào)度工作帶來(lái)極大的危害。PIN二極管開(kāi)關(guān)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由電阻、電容、二極管和三極管等分立元器件組成。在維修該電路時(shí)，簡(jiǎn)單采用萬(wàn)用表對(duì)板上的元器件進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，基本能較快找到故障點(diǎn)并修復(fù)。PIN二極管開(kāi)關(guān)模塊如下圖3所示。

圖3PIN二極管開(kāi)關(guān)電路

圖3 中，射頻脈沖P1、P2、P3由J1口輸入，經(jīng)過(guò)分離后分別由J2和J3口輸出。當(dāng)PIN二極管開(kāi)關(guān)電路出現(xiàn)故障時(shí)，由于濾波監(jiān)視器檢測(cè)不到P1P3或P2脈沖，因此沒(méi)有相應(yīng)的脈沖視頻信號(hào)送到點(diǎn)跡錄取器的Control and Bit板，此時(shí)雷達(dá)本地監(jiān)控界面上的TX框?qū)⒊霈F(xiàn)紅色告警。

（2）自測(cè)試振蕩器出現(xiàn)故障

發(fā)生此類(lèi)故障時(shí)，雷達(dá)本地監(jiān)控界面上將出現(xiàn)一系列告警。由于沒(méi)有4 μs的自測(cè)試脈沖，系統(tǒng)將提示三個(gè)接收機(jī)模塊和點(diǎn)跡錄取器各相關(guān)板件故障，詳細(xì)的告警信息列表中還會(huì)有Σ（和），Ω（控制）與Δ（差）3dB Low以及相位檢測(cè)等告警信息。自測(cè)試振蕩器模塊實(shí)物圖如下圖4所示。

圖4 自測(cè)試振蕩器實(shí)物圖

由圖4中可以看出，自測(cè)試振蕩器模塊主要由晶體振蕩器、開(kāi)關(guān)二極管、三極管以及一些電阻電容組成。該模塊的4個(gè)引腳分別是供電±15 V、接地和4 μs脈沖輸入（4 μs的調(diào)制脈沖來(lái)自點(diǎn)跡錄取器）。4 μs的調(diào)制脈沖經(jīng)過(guò)三極管的驅(qū)動(dòng)放大后引接至電路中的4個(gè)開(kāi)關(guān)二極管，將晶體振蕩器產(chǎn)生的1 090 MHz連續(xù)波振蕩信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)通截止，最終輸出4 μs的1 090 MHz射頻調(diào)制脈沖。在維修該模塊時(shí)，單用萬(wàn)用表進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，很難找到電路中的故障點(diǎn)。需要針對(duì)電路的特點(diǎn)，搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的維修測(cè)試環(huán)境，以確?？焖贉?zhǔn)確地找到故障點(diǎn)。搭建維修測(cè)試環(huán)境需要的器材及其用途如下：

（1）直流穩(wěn)壓電源，為自測(cè)試振蕩模塊提供±15 V直流電壓。

（2）脈沖信號(hào)產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生4 μs的脈沖調(diào)制信號(hào)。

（3）示波器，用于測(cè)量電路中4 μs調(diào)制脈沖的波形與信號(hào)幅度。

（4）頻譜儀，用于測(cè)量各個(gè)測(cè)試點(diǎn)1 090 MHz的射頻信號(hào)強(qiáng)度。

（5）萬(wàn)用表以及焊臺(tái)等維修工具。

自測(cè)試振蕩器維修測(cè)試環(huán)境如下圖5所示。

圖5 自測(cè)試振蕩器維修測(cè)試環(huán)境

自測(cè)試振蕩器維修測(cè)試環(huán)境搭建完成后，通過(guò)示波器與頻譜儀進(jìn)行逐級(jí)測(cè)量，將好的模塊與故障的模塊進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比，很快能夠準(zhǔn)確地找到電路中的故障元器件。更換故障的元器件后，即可修復(fù)該振蕩器模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

航管二次雷達(dá)屬于特種精密設(shè)備。在民用航空領(lǐng)域，由于航空飛行安全保障的高嚴(yán)要求，雷達(dá)設(shè)備模塊在具體的設(shè)計(jì)和工藝等方面均采用了較高的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是Raytheon雷達(dá)。Raytheon雷達(dá)的這種高標(biāo)準(zhǔn)要求體現(xiàn)在電路上，即大部分的元器件都是工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，有些甚至是軍工級(jí)。這也為Raytheon雷達(dá)的故障件維修帶來(lái)了一定的難度。只有在熟練掌握設(shè)備的組成和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的告警現(xiàn)象，針對(duì)模塊電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，必要時(shí)搭建相應(yīng)的維修測(cè)試環(huán)境，才能快速準(zhǔn)確地將故障進(jìn)行定位，從而修復(fù)故障模塊。

[1]張尉，徐炎祥.二次雷達(dá)原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[2]杜文一.航管二次監(jiān)視雷達(dá)[M].天津：中國(guó)民用航空學(xué)院印刷廠(chǎng)，2004.

Principle and Repair Analysis of ATC Raytheon SSR TX Interface

WANG Hai－jun
（Hu Bei ATM Branch of Civil Aviation Administration，Wuhan Hubei 430000，China）

Secondary surveillance radar system is one of the most important equipment for air traffic control.With the rapid development of domestic civil aviation industry，dozens of sets of raytheon SSR system which made in canada had been deployed throughout the country from the late 90s to the beginning of the new century.Since they were put into use，the radar systems have made a great contribution to the flight safety guarantee of the civil aviation ATC.However，as the increase of service time，part of the radar systems have been in service for more than 15 years of design life，the transmitter，receiver and processor have been gradually aging and failure.In this paper，the transmitter interface assy was selected as the research object，which was repaired recently.The components of the composition，working principle and maintenance method will be expounded through the master in the maintenance of the interface assy in the process of knowledge.

secondary surveillance radar system；raytheon secondary surveillance radar；safety for air traffic control；transmitter interface assy

V355.12

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0228-03

2017-02-04

王海軍（1977-），男，湖北當(dāng)陽(yáng)人，工程師，本科，研究方向：航管設(shè)備維護(hù)維修。