吳昌叨 劉光普 任 雍

新一代天氣雷達發(fā)射功率降低的分析與處理

吳昌叨 劉光普 任 雍

福建省大氣探測技術保障中心

發(fā)射機是CINRAD/SA天氣雷達的重要組成部分，結構復雜且長期處于連續(xù)高壓的工作狀態(tài)，是天氣雷達故障率較高的分機系統(tǒng)。針對福州新一代天氣雷達發(fā)生的一次發(fā)射機功率降低、回波強度明顯降低等現(xiàn)象，結合信號流程與電路原理，深入分析故障原因。最終發(fā)現(xiàn)，開關組件中檢測反饋控制D4芯片損壞，導致輸出異常，從而引起發(fā)射功率下降。該文詳細闡述了故障的檢測、分析、定位及處理過程，總結了相關的雷達維護經(jīng)驗，以期為雷達技術保障人員提供參考和借鑒。

天氣雷達 發(fā)射機功率 開關組件 反饋控制D4芯片

根據(jù)福建省新一代天氣雷達的故障統(tǒng)計，在雷達技術保障過程中，發(fā)射機故障所占比例最高，發(fā)射機故障會對雷達觀測的連續(xù)性及天氣預警時效性造成較為嚴重的直接影響。對此，周紅根等[1-3]對CINRAD/SA雷達日常維護及故障診斷方法進行了歸納總結；潘新民等[4-8]進一步對CINRAD/SA雷達發(fā)射機系統(tǒng)的典型案例進行了診斷分析，并對檢修技巧進行了歸納總結。本文主要以2016年福州新一代天氣雷達發(fā)生功率降低的故障維修為實例，從發(fā)射機的信號流程和關鍵測試點入手，深入分析，逐步縮小故障范圍，實現(xiàn)對故障源的精確定位，最后對故障原因進行詳細分析，發(fā)現(xiàn)開關組件中檢測反饋控制D4芯片損壞，導致其輸出值異常，從而引起發(fā)射功率下降。

1 故障現(xiàn)象

2016年3月29日18時06分，福州雷達在正常運行中突然發(fā)射機功率由原來的657kW降至312kW，天線功率由398kW下降至198kW，報警信息為“ANTENNA PEAK POWER LOW”（發(fā)射機天線功率降低）和“TRANSMITTER PEAK POWER LOW”（發(fā)射機功率降低）。同時發(fā)現(xiàn)雷達回波強度下降，發(fā)射機的人工線電壓只有2.3kV，調(diào)整控制旋鈕后，人工線電壓無變化。

2 采用逐級排除法對故障進行定位

根據(jù)報警信息和故障現(xiàn)象，并結合發(fā)射機系統(tǒng)工作原理可知，發(fā)射機放大鏈中的某一級故障導致激勵不達標、燈絲電壓偏低和全固態(tài)調(diào)制器中的充電開關組件故障、觸發(fā)器電路異?；蛉斯ぞ€充電電壓較低或速調(diào)管性能降低等因素，都是有可能造成發(fā)射機功率偏低的原因。

（1）將發(fā)射機控制面板的本地控制按鈕選擇為“本控、手動”，啟動雷達離線測試平臺RDASOT程序，選擇頻率為322Hz的窄脈沖進行信號測試。用示波器BNC電纜接上7dB的固定衰減器來測試發(fā)射機的輸出包絡與束脈沖取樣信號，示波器顯示有完整的脈沖波形（見圖1），從其波形上看，脈寬和幅度都正常, 在時間上發(fā)射機的輸出包絡也是和速調(diào)管陰極的束脈沖同步，說明高頻激勵器、脈沖形成器與束調(diào)管組件沒問題。接著將功率計通過30dB的固定衰減器接至可變衰減器輸出端上，測得其輸出功率為1.2W，低于本站速調(diào)管的參考值2W，將其調(diào)整到2W，再測量發(fā)射機的輸出功率，發(fā)現(xiàn)其并沒有發(fā)生太大的變化，說明并不是由可變衰減器引起的速調(diào)管輸入激勵偏低。用示波器測量燈絲中間變壓器輸出（在發(fā)射機中門油箱接口組件里的E2、E3端口）信號，無需加高壓（因為在油箱組件前端），調(diào)整示波器旋鈕直至顯示波形如圖2所示，燈絲電壓和頻率正常，說明燈絲電源與燈絲中間變壓器工作正常。以上測試檢查說明，問題不是發(fā)生在發(fā)射機的高頻放大鏈部件上。

圖1 發(fā)射機包絡和束脈沖

圖2 燈絲逆變電壓

（2）由發(fā)射機工作原理推導，燈絲電源下級的模塊是燈絲中間變壓器、高壓脈沖變壓器、燈絲變壓器、充電變壓器和全固態(tài)調(diào)制器。一般情況下，變壓器損壞、燒毀的幾率比較小，除非是變壓器里面的繞阻因為受熱熔化了漆包線等原因造成短路。而福州雷達在工作中，高壓脈沖變壓器、燈絲變壓器、充電變壓器全部浸泡在油箱中，油箱具有良好的循環(huán)散熱系統(tǒng)，變壓器油具有良好的介電強度(不小于20kV／2.5ram)，同時現(xiàn)場也沒有濃烈的燒焦氣味，因此基本上也可以排除變壓器燒毀的可能性。用萬用表測量后面板插頭A10XP1-3處，有直流510V的電壓，說明整流組件和電容組件能夠?qū)⒔涣鞯?80V變成直流的510V直流電。根據(jù)以上判斷分析，確定最后的問題發(fā)生在開關組件和調(diào)制組件中。

（3）用示波器測量開關組件（14所生產(chǎn)），Zp10接地，除Zp1測量無需加高壓外，其余端口測試均需加高壓。用示波器測量Zp1的輸出（充電觸發(fā)信號）波形如圖3，其幅值為15.2V、寬度為10μs，說明充電觸發(fā)信號正常；測量Zp2的輸出（充電觸發(fā)脈沖信號）波形如圖4，其脈沖幅值為840mV,說明觸發(fā)脈沖選擇信號和EXB841驅(qū)動信號正常；加高壓測量Zp3、Zp4的輸出（充電電流、電壓取樣信號）波形如圖5所示，其波形幅度和脈寬都符合技術指標要求，這說明高壓充電沒問題；加高壓測量Zp5的輸出（人工線充電電壓取樣）波形見圖6，發(fā)現(xiàn)其輸出波形前沿出現(xiàn)階梯狀不是正常的方波形狀且脈沖幅度只有3.04V（正常值是5V）偏低；同時測量調(diào)制器的人工線電壓輸出波形如圖7，發(fā)現(xiàn)其電壓只有2.3kV，比正常值（4.4kV）低了很多，此時測量發(fā)射機峰值功率只有315kW。調(diào)節(jié)圖8中發(fā)射機控制面板上人工線電壓滑阻RP3，發(fā)現(xiàn)人工線電壓沒有變化，測量其阻值和電壓均正常，說明滑阻正常。綜合以上測量波形和人工線電壓，表明是開關組件的某個元件老化造成功率降低。

圖3 Zp1充電觸發(fā)信號

圖4 Zp2充電觸發(fā)脈沖信號

圖5 Zp3、Zp4（充電電流、電壓取樣信號）

圖6 Zp5人工線充電電壓取樣

圖7 5A12調(diào)制器的人工線電壓

圖8 人工線電壓調(diào)節(jié)滑阻RP3

3 故障處理

充電開關組件與充電變壓器組成回掃充電路給調(diào)制組件中的人工線充電，由于頻繁的充放電過程，容易發(fā)生故障，此組件故障后在發(fā)射機面板上一般不會有報警信息。對于此故障的處理方法采取以下措施：先檢查+20V電源是否正常；然后檢測3A10的 ZP1、ZP2，若輸出正常，則重點檢查3A10A1的監(jiān)測電路部分。

根據(jù)雷達系統(tǒng)發(fā)出的寬/窄脈沖命令，圖9中N5和N6分別產(chǎn)生對應的賦能脈沖，并經(jīng)N19、N21分別推動充電開關組件的充電開關管V1、V2。反饋控制中的N10/N11比較器分別用于調(diào)制寬/窄脈沖，它們分別將賦能電流作用于對應的寬/窄脈沖，通過調(diào)節(jié)位于測量接口板3A1A2的基準電平調(diào)節(jié)電位器，改變寬/窄脈沖的人工線充電電壓幅度。根據(jù)故障現(xiàn)象檢測反饋控制單元中的D4-CD4098BF芯片，發(fā)現(xiàn)其輸入正常而沒有輸出，判斷該芯片有問題，從而導致充電電流取樣的參考電平不準確。而反饋控制單位作為一個鎖相環(huán)結構，主要功能是調(diào)整充電電壓的平衡，使其輸出保持在正常的水平，控制面板上的人工線滑阻控制反饋的門限值。而現(xiàn)在該門限不起作用，導致開關組件電壓只有2.3kV，不能達到4.4kV的正常值，所以輸出功率較低并且無法調(diào)整至正常值。更換反饋控制D4-CD4098BF芯片后，重新開機人工線電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)人工線電壓至4.4kV，測試速調(diào)管輸入信號功率及波形均正常，測試發(fā)射機包絡脈寬和幅度也正常，發(fā)射機功率保持在670kW。連續(xù)拷機48h后，雷達無任何異常，該故障徹底排除。

圖9 充電開關組件組成框圖

4 結論

CINRAD/SA雷達是集軟件、硬件于一體的高精度現(xiàn)代化設備，發(fā)射機是雷達故障的“高發(fā)區(qū)”，故障類型主要發(fā)生在高頻、高壓、電源、控保等方面，相對而言，高壓部分故障率較高，低壓電源部分相對較低。

在雷達的保障工作中，要求技術保障人員熟練掌握其技術性能、指標和信號流程，并對故障現(xiàn)象及監(jiān)控報警信息進行綜合分析；同時根據(jù)信號流程通過測試關鍵點波形、電壓、電流等參數(shù)，逐級排查，對于提高排除故障效率有很好的作用。

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