雷達發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器的調(diào)試與故障診斷

孫強 朱毅 繆明榕

摘要：雷達發(fā)射機的脈沖前級驅(qū)動器決定著發(fā)射機輸出射頻功率和包絡(luò)等技術(shù)指標的優(yōu)劣，對于保證雷達探測回波等的準確性和可靠性具有重要意義?，F(xiàn)以CINRAD/SA發(fā)射機為例，介紹了該發(fā)射機的脈沖前級驅(qū)動器的信號、關(guān)鍵參數(shù)等，詳細闡述了脈沖前級驅(qū)動器的調(diào)試方法，總結(jié)了脈沖前級驅(qū)動器調(diào)試過程中的常見問題及解決方法，結(jié)合故障診斷流程，列舉了脈沖前級驅(qū)動器的兩個典型故障處理過程，能幫助運維人員快速修復(fù)雷達故障，有效提高運維人員對新一代天氣雷達的技術(shù)保障水平。

關(guān)鍵詞：雷達脈沖前級驅(qū)動器;調(diào)試;故障診斷

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，在新一代天氣雷達故障中，雷達發(fā)射機發(fā)生故障的概率相對于其他分機要高，故障維修難度大，修復(fù)時間長。雷達發(fā)射機的脈沖前級驅(qū)動器在微波段工作，且監(jiān)控電路復(fù)雜，對電源要求高，發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器的故障診斷難度僅次于排在第一位的發(fā)射機高壓打火故障診斷。目前有不少學(xué)者對雷達故障排查方法進行了研究，如楊傳風(fēng)等從不同方面介紹了新一代天氣雷達與713、714型天氣雷達的故障處理方法;潘新民等介紹了新一代天氣雷達退數(shù)據(jù)模糊方法，分析了回波強度測量的誤差影響因素，但對發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器的故障調(diào)試方法和故障快速定位技術(shù)研究相對較少，可參考的文獻較少。

1 發(fā)射機信號

CINRAD/SA發(fā)射機的脈沖前級驅(qū)動器主要功能是對高頻信號進行脈沖調(diào)制，形成脈沖寬度為窄脈沖[（1.57±0.1）μs]或?qū)捗}沖（4.50～5.0 μs）的射頻脈沖信息。發(fā)射機主要由3A4固態(tài)放大器和3A5高頻脈沖形成器等構(gòu)成。

2 關(guān)鍵參數(shù)

3A4固態(tài)放大器、3A5高頻脈沖形成器、開關(guān)組件、可變衰減器、速調(diào)管是發(fā)射機的核心部分。脈沖前級驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)包括接收機頻綜輸出到3A4固態(tài)放大器的輸入射頻脈沖功率、3A4固態(tài)放大器和3A5高頻脈沖形成器的功率值，發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器主要參數(shù)值如下：

（1）固態(tài)放大器輸入射頻功率10 mW，脈寬8.2 μs;輸出射頻功率≥48 W，脈寬8.2 μs。（2）高頻脈沖形成器輸入射頻功率≥48 W，脈寬8.2 μs;輸出射頻功率≥15 W，窄脈沖（1.57±0.1）μs，寬脈沖（4.50～5.0）μs。（3）射頻衰減器輸出功率≥7 W，窄脈沖（1.57±0.1）μs，寬脈沖（4.50～5.0）μs。（4）3A4固態(tài)放大器的8 V測試口電源脈沖脈寬為30 μs，與雷達定時信號同步。（5）高頻激勵觸發(fā)信號比高頻起始觸發(fā)信號提前（34.7±0.1）μs。

3 脈沖前級驅(qū)動器調(diào)試方法

3.1? ? 設(shè)備連接

根據(jù)圖1所示的脈沖前級驅(qū)動器調(diào)試設(shè)備連接框圖，檢查電纜、衰減器和測試儀表等的連接情況。3A5高頻脈沖形成器的輸出值為15 W左右，為避免損壞儀表，需要加裝射頻衰減器。

3.1.1? ? 3A4A1高頻激勵器電源線路的調(diào)試方法

3A4A1高頻激勵器電源線路的調(diào)試步驟如下：首先，在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器U2A中，調(diào)整RP1滑動變阻器，測量U2A/13腳的輸出脈寬，直至輸出脈寬為32.2 μs;然后，調(diào)整RP2滑動變阻器，使得U2B/13腳的輸出脈寬為12.5 μs;再然后，調(diào)整RP3滑動變阻器，使得U4/2腳的輸出直流電壓為36 V，達到技術(shù)要求;最后，調(diào)整RP4滑動變阻器，使得U5/2腳的輸出直流電壓為8 V，滿足技術(shù)要求。

3.1.2? ? 3A4固態(tài)放大器線路的調(diào)試方法

檢查并測量A1、A2和A3三級功率放大器的功率輸出，應(yīng)分別為5 W、20 W和75 W以上，如未滿足，更換相應(yīng)功放模塊。

3.2? ? 3A5高頻脈沖形成器的技術(shù)指標

3A5高頻脈沖形成器的技術(shù)指標如表1所示。

3.3? ? 3A5高頻脈沖形成器線路的調(diào)試方法

步驟1：所需儀表連接無誤后，開啟發(fā)射機輔助供電開關(guān)Q2，在RDA計算機測試平臺RDASOT中，發(fā)出高頻觸發(fā)指令。

步驟2：撥動3A5A1微波開關(guān)管的驅(qū)動脈沖選通開關(guān)SW_DIP4（4路），確定1、2路接通控制微波開關(guān)管S1（W2），3、4路接通控制微波開關(guān)管S2（W3）;

步驟3：調(diào)整窄脈沖的延時，以發(fā)射機面板上的（BNC頭）射頻脈沖信號作為參考基準。調(diào)整3A5A1的RP1，改變窄脈沖輸出上升沿相對于高頻起始觸發(fā)脈沖信號上升沿的延時，要求調(diào)到2.3 μs，波形如圖2所示。

步驟4：調(diào)整寬脈沖的延時，以發(fā)射機面板上的（BNC頭）射頻脈沖信號作為參考基準，調(diào)整RP2，改變寬脈沖輸出的上升沿相對于高頻起始觸發(fā)脈沖信號上升沿的延時，要求調(diào)到2.7 μs，波形如圖3所示。

步驟5：調(diào)整寬、窄脈沖的脈寬。調(diào)整完延時后，檢查測量輸出的包絡(luò)，測量脈沖寬度，調(diào)節(jié)3A5面板上的電位器RP2，使得窄脈沖寬度在（1.57±0.1）μs，再調(diào)節(jié)3A5面板上的電位器RP1，使得寬脈沖寬度在為（4.50～5.0）μs。

步驟6：微調(diào)輸出的包絡(luò)。使用測試高頻電纜接上7 dB固定衰減器至發(fā)射機定向耦器1DC1端的30 dB固定衰減器上，再連接上檢波器，接上示波器，觀察檢波的包絡(luò)波形。

U6和U7是2路延時開關(guān)，用來控制上升沿和下降沿的波形，通過（6選1）撥碼開關(guān)S1和S2選通位置來實現(xiàn)，每個撥碼開關(guān)有6個位置，選擇其中1個可以改變波形。通過調(diào)整S1和S2可以對波形的上升沿和下降沿進行微調(diào);再調(diào)試3A5A1中的延時電位器RP2（寬脈沖）和RP1（窄脈沖）時，必須使寬/窄高頻脈沖輸出檢波波形的前后沿滿足要求，并使脈沖形成器的輸出包絡(luò)套在速調(diào)管60 000 V高壓波形中，可以得到頻譜波形及高頻包絡(luò)波形，放電脈沖和發(fā)射輸出脈沖的包絡(luò)疊加圖如圖4所示。

步驟7：調(diào)整射頻可變衰減器，同時用示波器觀測發(fā)射機射頻輸出包絡(luò)，使之在帶寬之內(nèi)不出現(xiàn)過激勵、欠激勵現(xiàn)象。

3.4? ? 調(diào)試中的常見問題及處理方法

雷達發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器調(diào)試中遇到的常見問題及處理方法如表2所示。

4 雷達發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器故障診斷流程

雷達發(fā)射機脈沖前級驅(qū)動器主要是對高頻信號進行脈沖調(diào)制，出現(xiàn)的故障主要有以下幾種：

（1）高頻脈沖包絡(luò)波形不正常，造成雷達功率異常，可能造成“雷達射頻激勵測試信號變壞”“線性通道增益測試變壞”“線性通道標定檢查變壞”“天線峰值功率低”等報警。

（2）雷達發(fā)射機能正常運行，顯示雷達回波面積較小或雷達回波強度偏小，如出現(xiàn)無高頻脈沖輸出故障，首先檢查外部輸入信號，如信號處理器的高頻激勵觸發(fā)信號RFDRIVER、高頻脈沖起始信號與觸發(fā)信號、發(fā)射機40 V直流電源、頻綜輸出射頻激勵信號等，在外部信號正常情況下，再按照故障診斷流程圖檢查3A4、3A5的供電電壓、控制信號、功放模塊等。針對發(fā)射功率異常的情況，首先按照相關(guān)方法對高頻包絡(luò)進行調(diào)試，如果調(diào)試后無法排除故障，再按照故障定位流程來判斷，更換最小故障的可更換單元。3A5組件如果出現(xiàn)無功率輸出，一般檢查3A5A1的相關(guān)電源、高頻起始觸發(fā)信號是否正常，如果輸出功率小或輸出射頻包絡(luò)波形差，則檢查微波開關(guān)管驅(qū)動信號、調(diào)制器（其中1路）是否正常。脈沖前級驅(qū)動器故障診斷流程如圖5所示。

5 脈沖前級驅(qū)動器典型故障分析

5.1? ? 故障現(xiàn)象1

當(dāng)雷達出現(xiàn)故障發(fā)射機不工作，雷達軟件顯示報警信息，如發(fā)射機功率低、天線功率機內(nèi)測試錯誤、射頻激勵測試信號變壞等，此時雷達PUP終端無雷達回波。

5.1.1? ? 故障分析及診斷

重啟雷達控制軟件，如無法排除該故障，可以確定不是雷達軟件運行故障，通過觀察發(fā)射機面板上的故障燈，發(fā)現(xiàn)此時還能正常加注高壓，查看發(fā)射機面板人工線高壓值顯示正常，說明故障位置可能位于脈沖前級驅(qū)動器通道。

檢查脈沖前級驅(qū)動器，通過控制雷達軟件RDASOT進行信號發(fā)射，使用功率計測試3A5脈沖形成器的輸出，如果顯示異常，再測量3A4固態(tài)放大器的輸入，如果顯示正常，則定位是3A4存在故障。

進一步對3A4固態(tài)放大器進行檢查，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)3A4無電源輸出，電源板不工作。通過發(fā)射機信號流程分析，3A4固態(tài)放大器的電源板電源由磁場電源輸入得來，目的是為固態(tài)放大器集成功率放大模塊供電，通過測試斷定磁場電源存在故障。

5.1.2? ? 故障處理

更換3A4固態(tài)放大器的電源板3A4A1，開機，雷達恢復(fù)正常。

5.2? ? 故障現(xiàn)象2

雷達可以開機，對比其他雷達在同一區(qū)域的回波，顯示面積明顯較小，雷達連續(xù)發(fā)出“射頻激勵測試信號變壞”“發(fā)射機功率機內(nèi)測試設(shè)備故障”等報警信息。

5.2.1? ? 故障分析及診斷

對比雷達回波面積，發(fā)現(xiàn)雷達回波面積變小，說明雷達探測距離變小，先測試發(fā)射機輸出功率數(shù)值，使用雷達測試軟件RDASOT，使用功率計實測峰值功率為28 kW，與正常數(shù)值650 kW相比明顯偏小，發(fā)現(xiàn)此時還能正常加注高壓，查看發(fā)射機面板人工線高壓值顯示正常，說明故障位置可能位于脈沖前級驅(qū)動器通道。

用功率計測量3A5的功率輸出，明顯偏低，再測量3A4的功率輸出，僅為1 W，正常時應(yīng)為48 W，測量頻綜的輸出正常，確定3A4存在故障。由于輸出功率低，按照故障診斷流程，繼續(xù)測試固態(tài)放大器功率放大測試鏈路，發(fā)現(xiàn)固態(tài)功率放大器前級輸出正常，第二級輸出功率偏小，確定是固態(tài)放大器的第二級出現(xiàn)故障。

5.2.2? ? 故障處理

確定是固態(tài)放大器的第二級出現(xiàn)故障后，更換固態(tài)分發(fā)器，重新通過雷達測試軟件RDASOT發(fā)射信號后，對發(fā)射機進行功率測試，顯示功率值恢復(fù)正常。重啟雷達控制程序，在正常模式下運行顯示雷達回波正常，排除該故障。

6 結(jié)語

雷達發(fā)射機電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維修難度較大，通常通過雷達部件波形調(diào)試可排除故障，但是特殊故障需更換故障器件，運維人員應(yīng)積累平時的工作經(jīng)驗，分析和歸類故障現(xiàn)象，通過梳理了解雷達信號流程及核心組件信號波形，針對性使用儀表測量，可快速定位和排除故障，縮短雷達故障修復(fù)時間，對于提高雷達運行穩(wěn)定性有著積極作用。

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收稿日期：2020-07-22

作者簡介：孫強（1962—），男，江蘇鹽城人，工程師，研究方向：氣象探測設(shè)備的技術(shù)保障。

朱毅（1985—），男，湖北荊州人，工程師，研究方向：氣象雷達技術(shù)保障。

繆明榕（1985—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：大氣探測技術(shù)與應(yīng)用。