深圳機(jī)場(chǎng)多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射功率偏低原因分析

陳洪彬

摘 要：文章介紹影響多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的形成原理，并結(jié)合深圳機(jī)場(chǎng)多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射功率偏低的實(shí)際案例，分析哪些參數(shù)直接影響發(fā)射功率的大小及調(diào)整方法。希望能對(duì)同行遇到同類(lèi)問(wèn)題時(shí)有一定的參考對(duì)比作用。

關(guān)鍵詞：多普勒氣象雷達(dá)；發(fā)射機(jī)；功率；參數(shù)調(diào)整

中圖分類(lèi)號(hào)：V351.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0086-02

引言

深圳機(jī)場(chǎng)多普勒氣象雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱ADWR雷達(dá)）為安徽四創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的C波段全相參脈沖多勒氣象雷達(dá)，它能監(jiān)測(cè)雷達(dá)站周邊400公里范圍內(nèi)的氣象目標(biāo)，定量測(cè)量200公里范圍內(nèi)的氣象目標(biāo)強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)150公里范圍內(nèi)降水粒子群相對(duì)于雷達(dá)的平均徑向速度及速度譜寬。ADWR雷達(dá)正常工作時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出脈沖功率達(dá)到250kW以上。由于發(fā)射機(jī)工作的高壓高功率條件，發(fā)射機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)出現(xiàn)故障較多的部分，而發(fā)射脈沖功率也是衡量雷達(dá)性能的重要技術(shù)參數(shù)。根據(jù)氣象雷達(dá)方程，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖功率出現(xiàn)異常下降后，雷達(dá)接收的回波強(qiáng)度隨之降低，雷達(dá)的探測(cè)距離也相應(yīng)減小。因此發(fā)射功率是反映ADWR雷達(dá)發(fā)射機(jī)正常與否最直觀的指標(biāo)參數(shù)，下文將對(duì)發(fā)射信號(hào)的形成進(jìn)行介紹，結(jié)合故障實(shí)例分析造成發(fā)射功率下降的原因，以及怎樣調(diào)整參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率的數(shù)值。

1 ADWR雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)的形成

ADWR雷達(dá)采用主振放大式發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)主要由主振振蕩器和射頻放大鏈兩個(gè)部分組成。主振振蕩器主要由接收機(jī)激勵(lì)源分機(jī)的DDS信號(hào)源、激勵(lì)中頻調(diào)制、兩次上變頻、激勵(lì)射頻調(diào)制、激勵(lì)功放，及發(fā)射機(jī)的固態(tài)放大器等組成。DDS源產(chǎn)生60MHZ連續(xù)波中頻激勵(lì)信號(hào)，送至中頻調(diào)制器受發(fā)射脈沖調(diào)制，形成被矩形脈沖包絡(luò)調(diào)制載波頻率為60MHz的中頻激勵(lì)脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次上變頻，得到5430MHz的本雷達(dá)站射頻信號(hào)，然后到射頻調(diào)制器再次受調(diào)制，經(jīng)中功率放大器放大輸出0.5W以上的射頻激勵(lì)脈沖，再送至發(fā)射機(jī)的固態(tài)放大器，放大輸出1～5W功率可調(diào)的射頻激勵(lì)脈沖信號(hào)至速調(diào)管輸入腔，作為射頻放大鏈的輸入信號(hào)[1]。射頻放大鏈主要由速調(diào)管、燈絲電源、磁場(chǎng)電源、鈦泵電源、高壓電源、固態(tài)調(diào)制器、脈沖變壓器等組成。 三相380V交流電整流后，經(jīng)軟啟動(dòng)控制將直流高壓送至以兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管為核心的開(kāi)關(guān)變換器。兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通截止，輸出幅度受到精確控制的方波脈沖到儲(chǔ)能變壓器，固態(tài)調(diào)制器的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN上獲得了幅度精確控制的高壓，放電觸發(fā)信號(hào)使固態(tài)調(diào)制器經(jīng)脈沖變壓器輸出-40KV的高壓脈沖加至速調(diào)管陰極，作為速調(diào)管陰極電壓。

速調(diào)管輸入的射頻激勵(lì)信號(hào)必須準(zhǔn)確地嵌套在速調(diào)管陰極的高壓脈沖信號(hào)頂部的平坦部分，速調(diào)管才能起到足夠的放大效果，把1-5W的激勵(lì)脈沖放大到峰值250kW以上的發(fā)射脈沖。速調(diào)管是發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵部件，其增益大小直接決定雷達(dá)發(fā)射功率的大小，因此除了自身的硬件狀況，速調(diào)管的激勵(lì)輸入和陰極燈絲高壓是影響雷達(dá)發(fā)射功率的兩個(gè)重要因素。

ADWR雷達(dá)發(fā)射脈沖信號(hào)流程如圖1所示。

2 發(fā)射功率偏低原因分析

（1）速調(diào)管陰極發(fā)射能力下降。速調(diào)管的電子槍由燈絲、陰極、聚束極、陽(yáng)極等組成，燈絲接電后發(fā)出熱量，使陰極溫度上升而產(chǎn)生熱發(fā)射現(xiàn)象，從陰極發(fā)射出大量電子。在聚束極和陽(yáng)極的配合下，陰極表面附近產(chǎn)生了聚焦電場(chǎng)，使得從陰極表面不同方向發(fā)射出來(lái)的電子聚成一束，形成圓形電子注射向收集極。深圳機(jī)場(chǎng)ADWR雷達(dá)速調(diào)管的燈絲電源為直流電源，額定值為6-7A。當(dāng)速調(diào)管接近使用壽命時(shí)，陰極發(fā)射電子的能力將明顯下降，影響速調(diào)管的增益性能，造成發(fā)射功率下降。當(dāng)發(fā)射功率下降小于250kW時(shí)，可以嘗試緩慢調(diào)節(jié)燈絲電流大小，來(lái)提高發(fā)射功率參數(shù)。一般順時(shí)針增大逆時(shí)針減小，如果調(diào)整燈絲電流但速調(diào)管總流和功率都沒(méi)有變化，并且用示波器合磁環(huán)測(cè)速調(diào)管收集極電流也小于14A，此時(shí)速調(diào)管很可能已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題。

（2）速調(diào)管磁場(chǎng)線圈散焦。磁場(chǎng)電源的作用是使磁場(chǎng)線包產(chǎn)生均勻的軸向聚焦磁場(chǎng)，以保證速調(diào)管電子槍產(chǎn)生的電子注在速調(diào)管的整個(gè)渡越過(guò)程中獲得最佳的聚焦效果。當(dāng)磁場(chǎng)線圈發(fā)生散焦現(xiàn)象時(shí)，速調(diào)管陰極發(fā)射的電子在腔體內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得參加能量交換的電子數(shù)量減少，發(fā)射機(jī)輸出功率因此降低。此時(shí)應(yīng)該分別調(diào)整兩路磁場(chǎng)電源的電流大小，調(diào)整范圍7A-9A，得到最佳的參數(shù)值使發(fā)射功率得到提高。

（3）高壓電源閉環(huán)峰值電流設(shè)置不當(dāng)。高壓電源采用回掃充電技術(shù)對(duì)調(diào)制器進(jìn)行充電，充電過(guò)程分為儲(chǔ)能變壓器充電和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN（也叫人工線）充電兩個(gè)部分?；貟叱潆婋娐肥且环N控制電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電感充電形式，當(dāng)電感電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)突然阻斷對(duì)電感的儲(chǔ)能，這個(gè)電流預(yù)定值就是高壓閉環(huán)峰值電流。高壓閉環(huán)峰值電流直接控制功率開(kāi)關(guān)組件兩個(gè)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，從而影響人工線的充電電容電壓值，人工線電壓決定了脈沖變壓器的輸出高壓，也就是速調(diào)管的陰極電壓。高壓電源閉環(huán)峰值電流參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致速調(diào)管的高壓不足，自然發(fā)射機(jī)的輸出功率也就偏低了。高壓閉環(huán)峰值電流的調(diào)制可以通過(guò)發(fā)射機(jī)高壓控保板的電位器RP1來(lái)調(diào)整，具體可查閱雷達(dá)手冊(cè)《ADWR雷達(dá)參考手冊(cè)（上冊(cè)2）》第54頁(yè)，調(diào)整過(guò)后觀察控制軟件界面的發(fā)射功率值和PFN數(shù)值，PFN數(shù)值最好不超過(guò)3.9，負(fù)責(zé)容易引起“可控硅”告警。

（4）發(fā)射接口板觸發(fā)時(shí)序不當(dāng)導(dǎo)致“嵌套”不好。ADWR雷達(dá)采用陰極脈沖調(diào)制，調(diào)制脈寬比從固態(tài)放大器輸出的射頻激勵(lì)略寬，“嵌套”指得就是射頻激勵(lì)處在調(diào)制脈沖的頂部進(jìn)行放大。如果兩個(gè)信號(hào)嵌套不好，會(huì)影響射頻的檢波包絡(luò)，發(fā)射功率也會(huì)降低。調(diào)制嵌套的形狀可通過(guò)發(fā)射接口板的兩個(gè)電位器RP1、RP2來(lái)調(diào)節(jié)，具體可查閱雷達(dá)手冊(cè)《ADWR雷達(dá)參考手冊(cè)（上冊(cè)2）》第54頁(yè)，兩個(gè)電位器分別調(diào)節(jié)基準(zhǔn)觸發(fā)和發(fā)射觸發(fā)的時(shí)序，對(duì)應(yīng)著射頻脈沖的前沿和后沿。調(diào)整射頻的前、后沿，使其與當(dāng)前設(shè)置的脈寬一致，并且剛好嵌套在速調(diào)管高壓調(diào)制脈沖里面，這樣才能保證射頻信號(hào)的最佳放大效果，發(fā)射機(jī)功率才能達(dá)到正常值。endprint

（5）速調(diào)管輸入激勵(lì)信號(hào)功率不足。ADWR雷達(dá)接收分系統(tǒng)的激勵(lì)源分機(jī)提供0.5W左右的射頻激勵(lì)信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)固態(tài)放大器放大到1-5W，再經(jīng)過(guò)可變衰減器輸出一個(gè)使速調(diào)管輸出功率最大的最佳的激勵(lì)信號(hào)值。假如固態(tài)放大器的輸出功率值不足，自然經(jīng)過(guò)速調(diào)管放大后也無(wú)法達(dá)到正常要求的發(fā)射功率大小。在實(shí)際的保障中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)可變衰減器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小。

3 故障案例檢測(cè)

故障現(xiàn)象： ADWR雷達(dá)發(fā)射功率從250kW逐漸下降到100kW左右。

故障檢測(cè)：在沒(méi)有功率計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀，等測(cè)量?jī)x器的情況下，維護(hù)人員主要利用示波器，萬(wàn)用表，監(jiān)控維護(hù)軟件、設(shè)備參數(shù)表頭來(lái)對(duì)故障進(jìn)行初步的定位和檢查。

（1）檢查系統(tǒng)狀態(tài)信息及發(fā)射分系統(tǒng)參數(shù)。首先檢查監(jiān)控維護(hù)軟件的整機(jī)狀態(tài)信息，各分系統(tǒng)均無(wú)狀態(tài)告警。然后加高壓檢查發(fā)射機(jī)監(jiān)控指示面板各表頭參數(shù)。速調(diào)管總流指示，是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的顯示值，0.8us脈寬，900Hz單頻工作下，正常范圍為2.3-3V；速調(diào)管管體電流，正常值應(yīng)小于總流的10%；燈絲電流，額定值6-7A；高壓電壓，是高壓電源的整流輸出按100：1 進(jìn)行比例顯示，正常值為5V；高壓電流，最大值應(yīng)小于等5.5A；磁場(chǎng)電流，額定值為7-9A；鈦泵電流，間接反映速調(diào)管真空度，最大值應(yīng)小于等于10uA。經(jīng)檢查，以上高壓發(fā)射表頭參數(shù)均符合。

（2）檢查速調(diào)管收集極電流。加高壓后用示波器和磁環(huán)檢查速調(diào)管收集極電流波形，磁環(huán)把速調(diào)管收集極電流轉(zhuǎn)化為電壓值顯示。測(cè)量值為14V左右，大小正常，波形也符合正常形態(tài)。

（3）示波器檢查發(fā)射脈沖檢波包絡(luò)。從定向耦合器出來(lái)加衰減器和檢波器接到示波器，將雷達(dá)重復(fù)頻率和脈寬設(shè)為固定值，加高壓后查看波形。測(cè)量脈寬大小與所選參數(shù)一致，波形前后沿，頂部沉降正常。

（4）檢查發(fā)射激勵(lì)與高壓脈沖嵌套。示波器通道1接磁環(huán)監(jiān)測(cè)的速調(diào)管收集極電流波形，通道2接定向耦合器出來(lái)的發(fā)射脈沖檢波包絡(luò)波形，就是同時(shí)測(cè)量上述（2）（3）兩個(gè)信號(hào)波形，檢查兩者的嵌套情況。速調(diào)管收集極電流的時(shí)序代表脈沖高壓的時(shí)序，正常的時(shí)序情況應(yīng)該是發(fā)射脈沖嵌套在收集極電流信號(hào)的中間，如圖所示。

實(shí)際波形發(fā)現(xiàn)發(fā)射脈沖比較偏右，不在中間。此時(shí)，想通過(guò)發(fā)射接口板的電位器來(lái)改變發(fā)射脈沖前后沿的時(shí)序來(lái)調(diào)整信號(hào)嵌套，結(jié)果后沿能改變，前沿沒(méi)變化。懷疑激勵(lì)時(shí)序有問(wèn)題。技術(shù)人員接著用示波器加衰減器和檢波器檢查接收機(jī)輸出的激勵(lì)信號(hào)（固態(tài)放大器的輸入信號(hào)）檢波波形，信號(hào)正常。懷疑固態(tài)放大器有問(wèn)題導(dǎo)致嵌套異常。嘗試跳過(guò)固態(tài)放大器直接把接收機(jī)輸出的激勵(lì)送至速調(diào)管，再通過(guò)接口板電位器調(diào)發(fā)射脈沖時(shí)序，此時(shí)前后沿均可調(diào)，信號(hào)嵌套可調(diào)整到正常狀態(tài)。確定固態(tài)放大器工作異常導(dǎo)致信號(hào)嵌套異常。

（5）檢查激勵(lì)大小。跟廠家訂做新的固態(tài)放大器到貨后，廠家工程師攜帶功率計(jì)來(lái)檢測(cè)和更換故障件。用功率計(jì)測(cè)量固態(tài)放大器的輸出，證實(shí)固態(tài)放大器故障以致速調(diào)管的輸入激勵(lì)信號(hào)偏小，而且時(shí)序異常，信號(hào)嵌套不好，最終導(dǎo)致ADWR雷達(dá)發(fā)射功率偏低。

最終，更換了固態(tài)放大器，調(diào)整了速調(diào)管激勵(lì)的大小，再通過(guò)調(diào)整燈絲電源，磁場(chǎng)電源，調(diào)閉環(huán)峰值電流決定的PFN人工線電壓值，發(fā)射功率恢復(fù)到250kW以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

速調(diào)管自身的性能狀況，還有與其工作相關(guān)的陰極激勵(lì)輸入、燈絲的脈沖高壓是影響ADWR雷達(dá)發(fā)射功率大小主要因素。在ADWR雷達(dá)的運(yùn)維中，可以參考文章上述幾個(gè)方面來(lái)查找發(fā)射機(jī)功率偏低的原因，并通過(guò)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)和更換部件使發(fā)射功率恢復(fù)到正常大小。以上幾點(diǎn)原因僅供參考，實(shí)際運(yùn)維中可能還有其他的功率影響因素，希望通過(guò)日后的經(jīng)驗(yàn)積累和學(xué)習(xí)交流把結(jié)論進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

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