新一代天气雷达发射功率降低的分析与处理

2017-04-03吴昌叨刘光普

海峡科学 2017年12期

吴昌叨刘光普任雍

新一代天气雷达发射功率降低的分析与处理

吴昌叨刘光普任雍

福建省大气探测技术保障中心

发射机是CINRAD/SA天气雷达的重要组成部分，结构复杂且长期处于连续高压的工作状态，是天气雷达故障率较高的分机系统。针对福州新一代天气雷达发生的一次发射机功率降低、回波强度明显降低等现象，结合信号流程与电路原理，深入分析故障原因。最终发现，开关组件中检测反馈控制D4芯片损坏，导致输出异常，从而引起发射功率下降。该文详细阐述了故障的检测、分析、定位及处理过程，总结了相关的雷达维护经验，以期为雷达技术保障人员提供参考和借鉴。

天气雷达发射机功率开关组件反馈控制D4芯片

根据福建省新一代天气雷达的故障统计，在雷达技术保障过程中，发射机故障所占比例最高，发射机故障会对雷达观测的连续性及天气预警时效性造成较为严重的直接影响。对此，周红根等[1-3]对CINRAD/SA雷达日常维护及故障诊断方法进行了归纳总结；潘新民等[4-8]进一步对CINRAD/SA雷达发射机系统的典型案例进行了诊断分析，并对检修技巧进行了归纳总结。本文主要以2016年福州新一代天气雷达发生功率降低的故障维修为实例，从发射机的信号流程和关键测试点入手，深入分析，逐步缩小故障范围，实现对故障源的精确定位，最后对故障原因进行详细分析，发现开关组件中检测反馈控制D4芯片损坏，导致其输出值异常，从而引起发射功率下降。

1 故障现象

2016年3月29日18时06分，福州雷达在正常运行中突然发射机功率由原来的657kW降至312kW，天线功率由398kW下降至198kW，报警信息为“ANTENNA PEAK POWER LOW”（发射机天线功率降低）和“TRANSMITTER PEAK POWER LOW”（发射机功率降低）。同时发现雷达回波强度下降，发射机的人工线电压只有2.3kV，调整控制旋钮后，人工线电压无变化。

2 采用逐级排除法对故障进行定位

根据报警信息和故障现象，并结合发射机系统工作原理可知，发射机放大链中的某一级故障导致激励不达标、灯丝电压偏低和全固态调制器中的充电开关组件故障、触发器电路异常或人工线充电电压较低或速调管性能降低等因素，都是有可能造成发射机功率偏低的原因。

（1）将发射机控制面板的本地控制按钮选择为“本控、手动”，启动雷达离线测试平台RDASOT程序，选择频率为322Hz的窄脉冲进行信号测试。用示波器BNC电缆接上7dB的固定衰减器来测试发射机的输出包络与束脉冲取样信号，示波器显示有完整的脉冲波形（见图1），从其波形上看，脉宽和幅度都正常, 在时间上发射机的输出包络也是和速调管阴极的束脉冲同步，说明高频激励器、脉冲形成器与束调管组件没问题。接着将功率计通过30dB的固定衰减器接至可变衰减器输出端上，测得其输出功率为1.2W，低于本站速调管的参考值2W，将其调整到2W，再测量发射机的输出功率，发现其并没有发生太大的变化，说明并不是由可变衰减器引起的速调管输入激励偏低。用示波器测量灯丝中间变压器输出（在发射机中门油箱接口组件里的E2、E3端口）信号，无需加高压（因为在油箱组件前端），调整示波器旋钮直至显示波形如图2所示，灯丝电压和频率正常，说明灯丝电源与灯丝中间变压器工作正常。以上测试检查说明，问题不是发生在发射机的高频放大链部件上。

图1 发射机包络和束脉冲

图2 灯丝逆变电压

（2）由发射机工作原理推导，灯丝电源下级的模块是灯丝中间变压器、高压脉冲变压器、灯丝变压器、充电变压器和全固态调制器。一般情况下，变压器损坏、烧毁的几率比较小，除非是变压器里面的绕阻因为受热熔化了漆包线等原因造成短路。而福州雷达在工作中，高压脉冲变压器、灯丝变压器、充电变压器全部浸泡在油箱中，油箱具有良好的循环散热系统，变压器油具有良好的介电强度(不小于20kV／2.5ram)，同时现场也没有浓烈的烧焦气味，因此基本上也可以排除变压器烧毁的可能性。用万用表测量后面板插头A10XP1-3处，有直流510V的电压，说明整流组件和电容组件能够将交流的380V变成直流的510V直流电。根据以上判断分析，确定最后的问题发生在开关组件和调制组件中。

（3）用示波器测量开关组件（14所生产），Zp10接地，除Zp1测量无需加高压外，其余端口测试均需加高压。用示波器测量Zp1的输出（充电触发信号）波形如图3，其幅值为15.2V、宽度为10μs，说明充电触发信号正常；测量Zp2的输出（充电触发脉冲信号）波形如图4，其脉冲幅值为840mV,说明触发脉冲选择信号和EXB841驱动信号正常；加高压测量Zp3、Zp4的输出（充电电流、电压取样信号）波形如图5所示，其波形幅度和脉宽都符合技术指标要求，这说明高压充电没问题；加高压测量Zp5的输出（人工线充电电压取样）波形见图6，发现其输出波形前沿出现阶梯状不是正常的方波形状且脉冲幅度只有3.04V（正常值是5V）偏低；同时测量调制器的人工线电压输出波形如图7，发现其电压只有2.3kV，比正常值（4.4kV）低了很多，此时测量发射机峰值功率只有315kW。调节图8中发射机控制面板上人工线电压滑阻RP3，发现人工线电压没有变化，测量其阻值和电压均正常，说明滑阻正常。综合以上测量波形和人工线电压，表明是开关组件的某个元件老化造成功率降低。

图3 Zp1充电触发信号

图4 Zp2充电触发脉冲信号

图5 Zp3、Zp4（充电电流、电压取样信号）

图6 Zp5人工线充电电压取样

图7 5A12调制器的人工线电压

图8 人工线电压调节滑阻RP3

3 故障处理

充电开关组件与充电变压器组成回扫充电路给调制组件中的人工线充电，由于频繁的充放电过程，容易发生故障，此组件故障后在发射机面板上一般不会有报警信息。对于此故障的处理方法采取以下措施：先检查+20V电源是否正常；然后检测3A10的 ZP1、ZP2，若输出正常，则重点检查3A10A1的监测电路部分。

根据雷达系统发出的宽/窄脉冲命令，图9中N5和N6分别产生对应的赋能脉冲，并经N19、N21分别推动充电开关组件的充电开关管V1、V2。反馈控制中的N10/N11比较器分别用于调制宽/窄脉冲，它们分别将赋能电流作用于对应的宽/窄脉冲，通过调节位于测量接口板3A1A2的基准电平调节电位器，改变宽/窄脉冲的人工线充电电压幅度。根据故障现象检测反馈控制单元中的D4-CD4098BF芯片，发现其输入正常而没有输出，判断该芯片有问题，从而导致充电电流取样的参考电平不准确。而反馈控制单位作为一个锁相环结构，主要功能是调整充电电压的平衡，使其输出保持在正常的水平，控制面板上的人工线滑阻控制反馈的门限值。而现在该门限不起作用，导致开关组件电压只有2.3kV，不能达到4.4kV的正常值，所以输出功率较低并且无法调整至正常值。更换反馈控制D4-CD4098BF芯片后，重新开机人工线电压可调，调节人工线电压至4.4kV，测试速调管输入信号功率及波形均正常，测试发射机包络脉宽和幅度也正常，发射机功率保持在670kW。连续拷机48h后，雷达无任何异常，该故障彻底排除。