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        中頻通道故障檢測與改進(jìn)措施

        2022-10-19 04:53:30王媛高俊姣
        電子制作 2022年19期
        關(guān)鍵詞:電刷電位器阻值

        王媛,高俊姣

        (南京電子技術(shù)研究所,江蘇南京, 210039)

        0 引言

        接收機是雷達(dá)系統(tǒng)中重要的組成部分,其性能的優(yōu)劣直接影響雷達(dá)整體的探測性能。雷達(dá)接收機的主要任務(wù)是將天線接收到的微弱回波信號從噪聲中提取出來,經(jīng)過放大和濾波之后傳輸給信號處理等設(shè)備[1]。本文選用的雷達(dá)接收機主要由前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件組成。前端放大組件的作用是將天線接收到的微弱射頻回波信號進(jìn)行放大處理,之后送給高頻通道組件;高頻通道組件將放大的射頻回波信號與本振信號進(jìn)行混頻處理,下變頻為中頻信號送給中頻通道組件;中頻通道組件負(fù)責(zé)將高頻通道組件送來的中頻信號進(jìn)行濾波放大處理;最后送給中頻采樣進(jìn)行數(shù)字采樣。接收機工作時,出現(xiàn)A路報故現(xiàn)象?,F(xiàn)場通過更換前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件進(jìn)行故障排查,最終定位中頻通道組件出現(xiàn)故障。

        1 中頻通道工作原理

        中頻通道工作原理框圖如圖1所示。

        圖1 中頻通道工作原理框圖

        中頻通道主要由4只濾波功分模塊、1塊電源濾波板及若干電纜組成,共有四路通道,分別為A路通道、B路通道、C路通道和D路通道,并且四路通道的輸入和輸出是相互獨立的。每路通道輸入信號經(jīng)過一只濾波功分模塊進(jìn)行濾波、放大和功分處理,輸出信號送給下一級中頻采樣組件進(jìn)行數(shù)字采樣;電源濾波板對接口電源進(jìn)行濾波,分為四路送給4只濾波功分模塊。

        2 故障檢測

        中頻通道故障件返回后,對故障進(jìn)一步定位。常溫時,該中頻通道組件工作正常,考慮到故障時天氣比較炎熱,故將中頻通道放入試驗箱進(jìn)行高溫試驗,分別對A路和D路輸出信號功率進(jìn)行比較測試。

        ■2.1 中頻通道故障檢測

        根據(jù)中頻通道工作原理框圖得出中頻通道故障由電源故障、電纜故障和濾波功分模塊故障組成,列出中頻通道故障樹如圖2所示。

        圖2 中頻通道故障樹

        排查步驟如下:

        (1)電源故障:四路通道通過電源濾波板分別供電,只有A路出現(xiàn)故障,其余B路、C路和D路工作正常,打開中頻通道蓋板,交換A路和D路供電電纜,故障現(xiàn)象不轉(zhuǎn)移,因此排除電源故障。

        (2)電纜故障: 打開蓋板,斷開A路濾波功分模塊裝機的射頻輸入、輸出電纜,用調(diào)試電纜接到A路濾波功分模塊輸入、輸出端,進(jìn)行高溫升溫及保溫約一個小時試驗測試,升溫時測試A路輸出功率存在偶爾減小12dB情況,測試D路輸出功率一直穩(wěn)定正常,因此排除裝機電纜故障。

        (3)濾波功分模塊故障:在升溫過程中在40度左右時出現(xiàn)A路輸出頻譜偶爾不穩(wěn)定跳動現(xiàn)象,功率減小12dB左右,后保溫50度時工作穩(wěn)定;D路輸出一直穩(wěn)定正常。因此確定A路濾波功分模塊存在偶發(fā)故障情況。

        通過上述檢測,中頻通道A路輸出信號功率偶爾異常是由于A路濾波功分模塊偶發(fā)故障引起。

        ■2.2 濾波功分模塊故障檢測

        濾波功分模塊電路圖如圖3所示。射頻信號依次經(jīng)過VGA可變增益放大器[2]、移相器、濾波器、兩級定向耦合器后輸出。VGA可變增益放大器和調(diào)節(jié)增益電位器組成VGA放大器單元,移相器和調(diào)節(jié)相位電位器組成移相器單元,兩級定向耦合器和故障檢測器組成定向耦合器單元。濾波功分模塊信號流程圖如圖4所示。

        圖3 濾波功分模塊電路圖

        圖4 濾波功分模塊信號流程圖

        濾波功分模塊內(nèi)部VGA放大器單元、移相器單元、濾波器和定向耦合器單元任何一級出現(xiàn)問題,皆有可能導(dǎo)致濾波功分模塊出現(xiàn)故障現(xiàn)象,根據(jù)信號流程圖采用逐級探測法進(jìn)行分析排查。濾波功分模塊故障樹如圖5所示。

        圖5 濾波功分模塊故障樹

        在濾波功分模塊射頻輸入端用信號源加入中頻信號,進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn),故障復(fù)現(xiàn)時,通道增益降低12dB。用頻譜儀逐級探測VGA放大器單元輸出、移相器單元輸出、濾波器輸出和定向耦合器單元輸出信號,觀測哪一級輸出增益存在異常。當(dāng)測試VGA放大器單元輸出增益時,發(fā)現(xiàn)VGA放大器單元增益降低,比正常值低12dB,與整個通道增益降低值一致;移相器單元、濾波器、定向耦合器單元增益正常。因此,定位VGA放大器單元故障,排除移相器單元、濾波器、定向耦合器單元異常。

        ■2.3 VGA放大器單元故障檢測

        VGA放大器單元由VGA可變增益放大器和可調(diào)增益電位器組成。VGA的增益由電位器調(diào)節(jié)控制電壓調(diào)節(jié),在此情況下測試了電位器輸出控制電壓為1.12V,該電壓值比正常輸出低,正常模塊該電壓為1.20V左右。

        將故障電位器取下,焊接在正常濾波功分模塊上進(jìn)行測試,同樣出現(xiàn)模塊通道增益不穩(wěn)定情況,問題復(fù)現(xiàn)。將故障模塊的故障電位器進(jìn)行更換,更換一只好的電位器,進(jìn)行反復(fù)試驗,未再出現(xiàn)增益降低現(xiàn)象。

        通過上述試驗分析,問題定位于VGA放大器單元的增益控制電位器故障。

        為了確定電位器失效的具體原因,將失效的電位器寄往廣州電子五所(賽寶分析中心)進(jìn)行失效分析。電子五所對該電位器進(jìn)行失效分析,分析報告顯示:發(fā)生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附且異物C、O含量偏高,引起電刷接觸不良,阻值跳變。

        綜上所述,由于中頻通道濾波功分模塊內(nèi)部電位器故障導(dǎo)致接收機報故。

        3 機理分析與改進(jìn)措施

        ■3.1 機理分析

        濾波功分模塊內(nèi)部VGA[3]放大器單元原理圖如圖6所示,VGA放大器的增益由電位器輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),電位器[4]控制電壓原理圖如圖7所示。當(dāng)電位器輸出電壓VC(見公式1)減小時,VGA放大器增益即會隨之減小。

        圖6 VGA放大器單元原理圖

        圖7 電位器控制電壓原理圖

        公式1:VC=(R2/(R1+R2))×VCC-IC×RS

        其中,IC為VGA放大器控制端電流,RS為電位器接觸電阻[5],當(dāng)電位器電刷與電阻基板接觸不良或者壓力不均勻時,會導(dǎo)致接觸電阻RS變大,VC將隨之減小,VGA放大器增益減小,與故障現(xiàn)象表現(xiàn)一致。

        濾波功分模塊內(nèi)部電位器選用的是成都國盛3296W型多圈電位器,結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。當(dāng)確定電位器故障后,將故障現(xiàn)象通報了電位器廠家,電位器廠家結(jié)合自身經(jīng)驗,初步得出的結(jié)論為:(a)可能是員工在組裝過程中用力不當(dāng),導(dǎo)致電位器電刷受壓變形,接觸壓力不均勻,使得產(chǎn)品在使用過程阻值不穩(wěn)定。(b)可能是產(chǎn)品電刷上有氧化物,造成電刷滑動過程中與電阻基板接觸不良,導(dǎo)致阻值不穩(wěn)定。經(jīng)過廠家品管判斷,該不良產(chǎn)品系個別現(xiàn)象。

        圖8 電位器結(jié)構(gòu)圖

        將失效的電位器寄往廣州電子五所(賽寶分析中心)進(jìn)行失效分析,根據(jù)電子五所分析報告反饋,發(fā)生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附且異物C、O含量偏高,引起電刷接觸不良,阻值跳變。失效模式是含有C、O的物質(zhì)在一定區(qū)域內(nèi)堆積后導(dǎo)致電位器的阻值跳變。

        在進(jìn)行溫度試驗時,由于溫度變化電位器的電刷可能會有輕微滑動,當(dāng)電刷滑動到堆積處時,由于堆積處含有大量的C、O的物質(zhì),導(dǎo)致電刷接觸不良,阻值產(chǎn)生跳變,影響電位器輸出阻值的穩(wěn)定性。

        濾波功分模塊生產(chǎn)廠家為中國電子科技集團公司第二十四研究所,所有交付產(chǎn)品均按詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行篩選、考核,至今已經(jīng)交付2000余只,同電位器使用4000余只(每個模塊使用兩只),共發(fā)現(xiàn)4只電位器失效。

        對中頻通道故障糾正如下:

        (1)更換A路故障濾波功分模塊,經(jīng)過低溫-40℃并保溫2小時工作,高溫50℃并保溫2小時工作,中頻通道組件一直穩(wěn)定工作。

        (2)接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

        ■3.2 改進(jìn)措施

        由于電位器內(nèi)部含有C、O的物質(zhì)在一定區(qū)域內(nèi)堆積,電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附,導(dǎo)致電刷與電阻基板接觸不良,電位器的阻值發(fā)生跳變,造成中頻通道工作不穩(wěn)定,最終導(dǎo)致接收機報故。

        在濾波功分模塊的調(diào)試期間,可以用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽先順時針旋轉(zhuǎn)幾圈,之后再逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈,使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中,不造成堆積,降低中頻通道組件出現(xiàn)故障的概率,從而提升產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約排故時間,提高工作效率。

        同理,涉及含有可調(diào)節(jié)增益的電位器或可調(diào)節(jié)相位的電位器組件時,也要充分考慮到由于電位器調(diào)節(jié)不到位,內(nèi)部有異物堆積,導(dǎo)致電位器阻值發(fā)生跳變,造成組件工作不穩(wěn)定的故障發(fā)生。

        為避免相似問題的出現(xiàn),在單位內(nèi)部進(jìn)行人員培訓(xùn),要求今后在調(diào)試裝有電位器的組件時,用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽分別順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈,使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中,避免異物堆積導(dǎo)致電刷接觸不良阻值跳變,確保電位器輸出阻值穩(wěn)定,組件工作正常。

        4 結(jié)論

        本文從雷達(dá)接收機組成出發(fā),根據(jù)中頻通道和濾波功分模塊工作原理,依次對中頻通道故障、濾波功分模塊故障、VGA放大器單元故障進(jìn)行檢測,得出中頻通道濾波功分模塊內(nèi)部電位器故障導(dǎo)致接收機報故。

        對中頻通道故障進(jìn)行糾正,更換故障濾波功分模塊,進(jìn)行低溫-40℃和高溫50℃并保溫2小時工作試驗,中頻通道組件一直穩(wěn)定工作;接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

        針對電位器故障采取改進(jìn)措施,用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽先順時針旋轉(zhuǎn)幾圈,之后再逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈,避免異物堆積在一起產(chǎn)生電位器阻值跳變,減少后續(xù)出現(xiàn)相似問題的可能,從而提升產(chǎn)品質(zhì)量,縮短調(diào)試周期,提高工作效率。

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