航管Raytheon二次雷达发射机接口原理与维修案例剖析

王海军

（中国民用航空湖北空管分局，湖北武汉430000）

航管Raytheon二次雷达发射机接口原理与维修案例剖析

王海军

（中国民用航空湖北空管分局，湖北武汉430000）

航管二次雷达系统是实施民航空中交通管制的重要设备之一。随着国内民航业的高速发展，上世纪90年代后期至新世纪初，全国范围内陆续部署了几十套加拿大Raytheon公司的航管二次雷达系统。自投入使用以来，该雷达系统以其优越的性能与稳定的雷达信号质量，为民航空管的飞行安全保障做出了巨大的贡献。但随着服务时间的增加，部分该型号雷达已服役超过其15年的设计寿命，发射机、接收机以及处理器等模块逐渐老化而发生故障。本文选取了近期维修的发射机接口组件作为研究对象，通过在维修该接口组件过程中所掌握的知识，全面地阐述该组件的组成、工作原理及其维修方法。

航管二次雷达系统；Raytheon二次雷达；飞行安全保障；发射机接口组件

近年来，随着我国民航事业的高速发展，航路和航班量逐年增加，空中飞行密度也相应地不断加大。目前，在我国大部分的空中交通管制区域，均由早期的程序管制过渡到雷达管制方式。相比程序管制，航管雷达为管制员提供了更为迅速、准确、连续和丰富的目标信息。管制员对航管雷达的依赖性正与日俱增，随着区域管制中心多雷达自动化系统的投入使用，雷达的重要性更进一步得到了体现。航管二次雷达是空中交通管制的重要组成部分，中国民用航空空中交通管理规则第一百九十八条已专门作出规定，航管二次雷达系统，特别是具有单脉冲技术及S模式和数据链能力的雷达监视系统，可作为主要雷达监视系统单独使用[1]。

1 航管二次雷达的组成及其工作原理

与常规的雷达利用目标对雷达自身发射电磁波（射频脉冲）的反射主动发现目标并且确定其位置的工作原理不同，航管二次雷达需要与机载应答机协同合作才能完成对目标的检测。它是由地面的二次雷达设备（通常称询问机）通过天线的方向性波束辐射频率为1 030 MHz的一组询问编码脉冲，当天线的波束指向装有机载应答机的飞行器时，机载应答机接收到这组询问信号，然后根据所询问的内容自动发射回频率为1 090 MHz的一组约定的回答编码（射频）脉冲。通过地面二次雷达设备的接收和检测处理，最终完成对目标的定位[2]。航管二次雷达的工作原理如下图1所示。

图1 航管二次雷达工作原理

航管二次雷达给地面管制员所提供的飞机信息包括方位、距离、高度与识别码，其中方位和距离由二次雷达根据天线波束指向角与应答信号的延时分别计算得到，而飞机的识别码与海拔高度则包含在应答编码脉冲内。当询问脉冲P1与P3的脉冲间隔为8 μs时，此时雷达采用模式A进行询问，所询问的内容是飞机的识别码；当询问脉冲P1与P3的脉冲间隔为21 μs时，此时雷达采用模式C进行询问，所询问的是飞机的海拔高度。通常地面站的二次雷达设备都采用模式A和模式C两者模式进行交替询问，即同时获得飞机的识别码和高度码。飞机的距离、方位、高度与识别码这些信息通过网络传送至管制席位的大屏幕显示器上，由地面管制员与飞行员通过语音通话，对各空域上的飞行器进行安全、高效的指挥协调调度管理。

2 Raytheon二次雷达发射机接口组件的组成与作用

Raytheon二次雷达询问机主要由驱动模块、低占空比功率放大器、发射机接口组件、三个完全一致的接收机模块、接收机接口组件、电源模块以及点迹录取器等部分组成。发射机接口组件在询问机中的主要作用是作为发射机、接收机与天线这三者的接口，询问时使发射机与天线连通，接收应答时使天线与接收机连通。其内部结构如下图2所示。

图2 发射机接口组件内部结构示意图

航管二次雷达询问时辐射P1、P2和P3脉冲，其中决定询问模式的P1和P3脉冲通过Σ（和）通道辐射出去，用于旁瓣抑制作用的P2脉冲则通过Ω（控制）通道辐射。因此，从低占空比功率放大器（发射机）送过来的1 030 MHz的P1、P2和P3射频脉冲需要在发射机接口组件中进行分离，组件中的一个PIN二极管开关完成了这个功能。由图2中可清晰地看到，射频脉冲进来后，首先经过一个带通滤波器进行带外信号滤除，进而通过一个3端口的环路器。当有反射信号时反射信号将被环路器的假负载所吸收。询问的射频脉冲P1、P2和P3脉冲进入PIN二极管开关后将被分离出来，被分离的P1、P3射频脉冲和P2射频脉冲分别经过一个4端口环路器和一个4端口滤波监视器后被送到天线，分别通过天线的Σ波束与Ω波束辐射出去。

4端口环路器的假负载同样用于吸收反射功率。在Σ通路与Ω通路上的4端口滤波监视器中，分别有一部分射频功率耦合到一个射频检测模块中，通过对Σ信号（P1和P3）与Ω信号（P2）进行视频检波。检波后的视频信号将被送到点迹录取器进行监视。

接收时，天线的Σ波束，Ω波束与Δ波束同时接收到机载应答机的1 090 MHz的应答信号。分别经过滤波监视器与环路器后进入各自的接收机模块。

此外，发射机接口组件中还有一个重要的功能模块——自测试振荡器。在点迹录取器的模式产生器板的控制下，该自测试振荡器在P3脉冲延时13μs时刻，产生一个脉宽为4 μs的1 090 MHz射频调制脉冲。该射频脉冲被三路功分器分成三路相等的幅度输出（含有3 dB衰减），经过相应的滤波监视器和环路器注入三个接收机模块中。用于询问机在发射期间对接收机与录取器进行实时状态的在线监测。

综上所述，发射机接口组件在询问机中所起到的作用有以下三点：

（1）作为发射机、接收机与天线三者的接口，发射时使发射机与天线连通，接收时使接收机与天线连通。

（2）将P1、P2、P3脉冲分离出来，P1和P3脉冲通过Σ通路辐射，P2脉冲通过Ω通路辐射。

（3）产生自测试调制脉冲信号，用于实时监视三个接收机模块与录取器的工作状态。

3 Raytheon二次雷达发射机接口组件维修案例分析

由上一节所介绍的Raytheon二次雷达发射机接口组件的组成与作用可以看出，当该接口组件发生故障时，一般有以下两种情况：

（1）PIN二极管开关出现故障

出现此类故障时，P1、P2、P3脉冲将不能正常进行分离。两种情况，当P1、P2、P3都通过Ω通路辐射时，询问波束（Σ波束）将没有P1和P3的询问脉冲，雷达不能对空中的飞机进行有效询问，即不能探测到飞机。当P1、P2、P3都通过Σ通路辐射时，控制波束（Ω波束）将没有P2脉冲。根据航管二次雷达的工作原理，雷达没有辐射P2脉冲将导致旁瓣抑制作用失效。此时雷达将产生大范围的假目标，给地面管制员的正常指挥调度工作带来极大的危害。PIN二极管开关电路结构简单，主要由电阻、电容、二极管和三极管等分立元器件组成。在维修该电路时，简单采用万用表对板上的元器件进行静态测量，基本能较快找到故障点并修复。PIN二极管开关模块如下图3所示。

图3PIN二极管开关电路

图3 中，射频脉冲P1、P2、P3由J1口输入，经过分离后分别由J2和J3口输出。当PIN二极管开关电路出现故障时，由于滤波监视器检测不到P1P3或P2脉冲，因此没有相应的脉冲视频信号送到点迹录取器的Control and Bit板，此时雷达本地监控界面上的TX框将出现红色告警。

（2）自测试振荡器出现故障

发生此类故障时，雷达本地监控界面上将出现一系列告警。由于没有4 μs的自测试脉冲，系统将提示三个接收机模块和点迹录取器各相关板件故障，详细的告警信息列表中还会有Σ（和），Ω（控制）与Δ（差）3dB Low以及相位检测等告警信息。自测试振荡器模块实物图如下图4所示。

图4 自测试振荡器实物图

由图4中可以看出，自测试振荡器模块主要由晶体振荡器、开关二极管、三极管以及一些电阻电容组成。该模块的4个引脚分别是供电±15 V、接地和4 μs脉冲输入（4 μs的调制脉冲来自点迹录取器）。4 μs的调制脉冲经过三极管的驱动放大后引接至电路中的4个开关二极管，将晶体振荡器产生的1 090 MHz连续波振荡信号进行导通截止，最终输出4 μs的1 090 MHz射频调制脉冲。在维修该模块时，单用万用表进行静态测量，很难找到电路中的故障点。需要针对电路的特点，搭建一个简单的维修测试环境，以确保快速准确地找到故障点。搭建维修测试环境需要的器材及其用途如下：

（1）直流稳压电源，为自测试振荡模块提供±15 V直流电压。

（2）脉冲信号产生器，用于产生4 μs的脉冲调制信号。

（3）示波器，用于测量电路中4 μs调制脉冲的波形与信号幅度。

（4）频谱仪，用于测量各个测试点1 090 MHz的射频信号强度。

（5）万用表以及焊台等维修工具。

自测试振荡器维修测试环境如下图5所示。

图5 自测试振荡器维修测试环境

自测试振荡器维修测试环境搭建完成后，通过示波器与频谱仪进行逐级测量，将好的模块与故障的模块进行各项指标的对比，很快能够准确地找到电路中的故障元器件。更换故障的元器件后，即可修复该振荡器模块。

4 结束语

航管二次雷达属于特种精密设备。在民用航空领域，由于航空飞行安全保障的高严要求，雷达设备模块在具体的设计和工艺等方面均采用了较高的标准，尤其是Raytheon雷达。Raytheon雷达的这种高标准要求体现在电路上，即大部分的元器件都是工业级的产品，有些甚至是军工级。这也为Raytheon雷达的故障件维修带来了一定的难度。只有在熟练掌握设备的组成和工作原理的基础上，结合设备在运行中出现的告警现象，针对模块电路的设计特点，必要时搭建相应的维修测试环境，才能快速准确地将故障进行定位，从而修复故障模块。

[1]张尉，徐炎祥.二次雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]杜文一.航管二次监视雷达[M].天津：中国民用航空学院印刷厂，2004.

Principle and Repair Analysis of ATC Raytheon SSR TX Interface

WANG Hai－jun
（Hu Bei ATM Branch of Civil Aviation Administration，Wuhan Hubei 430000，China）

Secondary surveillance radar system is one of the most important equipment for air traffic control.With the rapid development of domestic civil aviation industry，dozens of sets of raytheon SSR system which made in canada had been deployed throughout the country from the late 90s to the beginning of the new century.Since they were put into use，the radar systems have made a great contribution to the flight safety guarantee of the civil aviation ATC.However，as the increase of service time，part of the radar systems have been in service for more than 15 years of design life，the transmitter，receiver and processor have been gradually aging and failure.In this paper，the transmitter interface assy was selected as the research object，which was repaired recently.The components of the composition，working principle and maintenance method will be expounded through the master in the maintenance of the interface assy in the process of knowledge.

secondary surveillance radar system；raytheon secondary surveillance radar；safety for air traffic control；transmitter interface assy

V355.12

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0228-03

2017-02-04

王海军（1977-），男，湖北当阳人，工程师，本科，研究方向：航管设备维护维修。