C波段新一代天气雷达频率源模块级故障诊断方法及流程

安克武， 王 龙， 高 原， 贾木辛， 张春雷

(新疆气象技术装备保障中心，乌鲁木齐 830011)

引 言

C波段新一代天气雷达已经在我国东北和西北地区布点建设使用近20年，在短期临近预报、人影作业和相关气象领域发挥了重要作用，已经成为气象部门冰雹作业、强对流天气预报、人工降水作业等不可或缺的主要观测设备。做好雷达保障工作，快速、及时、准确诊断分析并排除雷达各种故障，保证雷达运行状态良好显得尤为重要。作为新一代天气雷达核心单元组件，C波段天气雷达频率源是全相参天气雷达的关键部件，为天气雷达发射、接收系统提供高稳定性、高纯频谱信号。若频率源输出波形参数发生异常，将导致天气雷达发射功率大幅度下降或发射频谱异常，以及接收系统射频通道、数字中频、激励调制工作异常和雷达回波反射率、径向速度、速度谱宽图异常。在所有雷达故障中，频率源故障出现的频次多、影响大，是雷达维护的重中之重。新疆地区从2002年至2013年陆续布点建设12部不同批次C波段全相参天气雷达。按照雷达生命周期“U”字形规律，从2013年开始雷达的生命周期逐渐进入“U”字形后期上升期。从近几年雷达出现故障统计数据来看，频率源出现故障概率呈现较高趋势。为了快速、有效解决雷达频率源故障，结合20年的雷达维护经验和详细案例，参考了潘新民[1-3]、杨传凤[4]、吴少峰[5]、张涛[6]、叶勇[7]、梁华[8-10]等的相关经验及其他专家在雷达综合故障、接收机故障方面的诊断和分析方法[11-27]，总结和归纳出一套频率源故障诊断、测试、分析方法和排障流程。本文结合频率源典型的故障案例，特别是针对频率源锁相环路和VCO输出的相位同步信号(一本振信号)故障频发的原因进行了分析，采用远程诊断技术、模块组件工作特性分析技术，对频率源关键点波形参数进行诊断、测试、分析，通过比对分析，发现并排除了频率源故障。远程接管系统可以实时捕获雷达状态信息及其工作参数；远程控制本地仪表可以参数测量，获取雷达波形参数；远程视频语音交互系统可以远程指导台站保障人员进行故障快速分析、诊断定位和排查。远程故障诊断方法的使用，突破了时空限制，提高了故障响应时效和故障判断准确率。模块级诊断方法主要使用各类仪表、结合单元组件输入输出的信号参数及关键点波形的测试，进行故障诊断、分析和排除，具有快速、准确、维修成本低的优点。远程故障诊断方法与现场模块级故障诊断方法相结合的雷达保障模式，真正缩短维修时效，提高保障效率，节约保障经费。

1 频率源信号流程及关键测试点参数

频率源是雷达接收系统十分重要的单元组件，不仅为整个雷达提供了所需的基准信号，也为发射机和接收机提供了高稳定性、高纯频谱信号。晶体振荡器产生的100 MHz的基准信号，送入频标综合，经变频处理后，输出信号包括射频接收通道单元混频器一本振、二本振信号；激励源单元混频器一本振、二本振信号；激励源(DDS信号源)240 MHz时钟信号；雷达整机时序信号16 MHz；数字中频采样50 MHz信号及基准相参50 MHz信号。C波段天气雷达频率源单元信号流程如图1所示。主要信号流程及信号关键测试点中心频率和功率幅度值如下。

图1 C波段天气雷达频率源单元信号流程图

(1)一本振信号

晶振振荡器输出100 MHz(功率≥10 dBm)→频标综合输出100 MHz(功率≥10 dBm)→FD4500倍频器输出4500 MHz(功率≥9 dBm)→混频器输出4850 MHz至5030 MHz(功率≥3.5 dBm，与VCO输出350 MHz至530 MHz进行混频，混频输入功率≥0 dBm)→谐波滤波→功分放大→输出4路一本振4850 MHz至5030 MHz(功率≥9 dBm；一路至射频接收通道1；二路至射频接收通道2；三路至激励源单元；四路至检测单元)。

(2)二本振信号

晶振振荡器输出100 MHz(功率≥10 dBm)→频标综合输出4路二本振400 MHz(一路至射频接收通道1，功率≥7 dBm；二路至射频接收通道2；三路至激励源单元，功率≥-2 dBm；四路至检测单元，功率≥0 dBm)。

(3)锁相环路信号

①鉴相组件，晶振振荡器输出100 MHz(功率≥10 dBm)→频标综合输出功分2路100 MHz(一路至鉴相器，功率≥10 dBm；二路至检测分机，功率≥0 dBm)→鉴相组件输出相位差电压信号(线性2 V左右)。②VCO变频综合组件，鉴相组件输出电压信号(鉴相器相位差电压2 V左右)→VCO变频综合输出2路(一路至反馈频率信号250、350 MHz鉴相器，功率≥0 dBm；一路至混频器350至530 MHz(频间20 MHz)，功率≥0 dBm)。晶振振荡器输出100 MHz(功率≥10 dBm)→频标综合输出50 MHz(功率≥12 dBm，至VCO变频综合)。

(4)其他信号

①频标综合输出16 MHz(功率≥12 dBm)→监控分机时序板。②频标综合输出16 MHz(功率≥10 dBm)→激励源时序控制。③频标综合输出50 MHz(功率≥0 dBm)→数字中频单元采样。④频标综合输出240 MHz(功率≥10 dBm)→激励源DDS信号源。

2 频率源模块级故障诊断方法和流程

2.1 依据故障现象进行远程诊断分析

依据故障现象进行远程诊断和分析是雷达各分系统故障诊断、维修保障的主要方法和手段，特别是重大疑难故障，省级雷达保障人员使用远程诊断系统，对雷达故障现象进行快速诊断、分析判断比较关键，不仅对现场故障维修处理人员具有重要指导意义，而且对雷达保障时效的提高具有重要意义。根据多年雷达保障实践经验，频率源出现故障或关键模块技术指标下降后，可能出现故障现象诊断、分析和判断的方法如下。

(1)现象1：回波异常，速度花屏，噪声电平略有下降。

①远程视频→二本振输出正常(观察二本振检测功率指示灯正常)→50 MHz基准相参信号正常(观察基准相参信号指示灯正常)→检测分机100 MHz指示灯正常→频率源相位锁定灯正常。

②远程接管读取参数→发射机收集极电流(单重频,2.6)正常→发射机正常→读取终端RF激励功率异常(较小，正常0.43)→读取终端→本振功率异常(较小,正常0.42)。

分析：依据频率源信号流程(图1)，结合远程诊断系统获得的数据进行分析判定，频标综合输出100 MHz信号正常→频率源相位锁定灯正常→VCO频标输出350～530 MHz信号(送至混频器)正常→终端显示一本振检测功率异常(较小)→一本振输出异常→FD4500倍频器输出4500 MHz信号异常。判断可能出现故障模块为FD4500倍频器。

(2)现象2：频率源锁定灯灭，回波异常，速度花屏，噪声电平正常。

①远程视频→二本振输出正常(观察二本振检测功率指示灯正常)→50 MHz基准相参信号正常(观察基准相参信号指示灯正常)→检测分机100 MHz指示灯正常→频率源锁定灯灭→锁相环与VCO振荡器相位失所。

②远程接管读取参数→读取终端RF激励功率异常(较小)→读取终端一本振功率异常(较小)。

分析：依据频率源信号流程(图1)，结合远程诊断系统获得的数据进行诊断、分析，存在两种可能。

第一种：锁相环输入100 MHz异常(或频标综合输出50 MHz至VCO异常)→锁相环指示灯异常→判定锁相环和VCO压控振荡器工作异常→终端显示一本振检测功率异常(较小)→一本振输出异常。判断可能出现故障：锁相环路与VCO压控振荡器相位失所、频标综合输出100 MHz和50 MHz异常、频标综合输出100 MHz至功分器异常。

第二种：锁相环输入100 MHz正常和频标综合输出50 MHz正常(至VCO)→锁相环指示灯异常→判定锁相环和VCO压控振荡器工作异常→终端显示一本振检测功率异常(较小)→一本振输出异常。判断可能出现故障模块为锁相环路与VCO压控振荡器，原因是相位失所导致工作异常。

(3)现象3：报二本振故障信息，回波异常，速度花屏，噪声电平下降明显。

①远程视频→50 MHz基准相参信号正常(观察基准相参信号指示灯正常)→检测分机100 MHz指示灯正常→频率源锁定灯正常→二本振输出异常(观察二本振检测功率指示灯灭)。

②远程接管读取参数→读取终端RF激励功率正常→读取终端一本振功率正常。

分析： 依据频率源信号流程(图1)，结合远程诊断系统获得的数据进行分析判定，可能出现故障：频标综合输出400 MHz信号异常。

(4)现象4：报基准相干信号故障信息，回波异常，速度花屏，噪声电平下降至0 dB。

①远程视频→50 MHz基准相参信号异常(观察基准相参信号指示灯灭)→频率源锁定灯异常(观察频率源锁定灯灭)→检测分机100 MHz指示灯正常→二本振输出正常(观察二本振检测功率指示灯正常)。

②远程读取参数→读取终端RF激励功率异常→读取终端一本振功率异常。

分析：依据频率源信号流程(图1)，结合远程诊断系统获得的数据进行分析判定，可能出现故障：频标综合输出50 MHz异常(至VCO变频综合)→锁相环路与VCO变频综合工作异常→频率源锁定灯异常；频标综合输出50 MHz异常(至数字中频采样信号)→数字中频工作异常→开机终端噪声电平下降至0 dB。最终频标综合输出50 MHz信号异常。

(5)现象5：噪声电平跳变，终端操作无法控制雷达。

分析：依据频率源信号流程(图1)，直接可以判定频标综合输出至监控分机的时序板的主时钟16 MHz信号异常。

2.2 依据频率源模块组件工作特性进行故障诊断、分析方法

通过远程故障诊断、分析，结合频率源模块组件的信号特性进一步进行精准诊断和分析。

(1)稳压电源输出十组直流电压不稳定→频标综合输出各种信号异常→VCO综合、锁相环路异常→一本、二本振异常→发射机功率大幅下降→速度异常→频率源上“锁定”灯灭。

(2)频标综合输出100 MHz信号异常→一本振异常(频率源锁定灯灭)→回波异常、速度花屏→噪声电平偏低→速度标定异常→噪声系数标定不好。

(3)频标综合输出400 MHz信号异常→终端报二本振故障信息→回波异常、速度花屏→噪声电平偏低→噪声系数标定不好。

(4)频标综合输出50 MHz相干信号异常→终端报相干信号故障信息→“标定/BITE”上“相干源”指示灯灭→频率源上“锁定”灯灭→回波异常。

(5)频标综合输出50 MHz数字中频采样信号异常→终端噪声电平下降0 dB→回波和速度图异常。

(6)频标综合输出16 MHz主时钟信号异常→噪声电平跳变→监控系统时序控制板无时序输出(至发射、接收)→终端不能操作控制。

(7)频标综合输出240 MHz信号异常→回波异常、速度花屏→强度标定异常(DDS信号源异常)。

(8)DF4500倍频器输出4500 MHz信号异常→一本振信号异常→回波和速度图异常。

(9)混频器或功分放大器异常→一本振信号异常→回波和速度图异常。

(10)VCO频标综合和锁相环异常→VCO输出350 MHz～530 MHz信号异常→一本振信号异常→频率源上“锁定”灯灭→回波和速度图异常。

2.3 远程诊断与模块级诊断方法结合形成故障诊断、处理流程

按照频率源信号流程(图1)，结合远程诊断技术和频率源模块组件工作特性及现场诊断、测试和分析经验，归纳了近几年所有频率源故障处理案例，按照输入输出顺序进行诊断、测试，完成频率源故障诊断、测试、分析流程(图2)。

频率源是C波段天气雷达的核心部件，结构组成比较复杂。为了快速、有效处理频率源故障，必须熟悉频率源单元各模块信号流程和频谱仪使用方法。在此基础上，从故障现象入手，采用远程诊断、分析方法，并参考频率源模块组件输出信号异常产生故障特征现象，结合现场对关键测试点的波形、中心频率和功率值的测试、分析和判断，确定模块输出信号是否正常，依次缩小故障范围，最终通过更换备件解决故障，恢复雷达正常运行。

3 典型故障案例分析

通过统计分析近几年C波段天气雷达维修保障记录数据，发现接收系统频率源一本振信号出现故障次数最多。

3.1 故障现象描述

计算机终端无报警信息，频率源锁相灯灭，“标定/BITE”分机二本振、基准源信号、相参信号指示灯正常，发射机功率显示4 kW异常(正常功率≥250 kW)，回波强度异常，速度花屏异常。依据故障现象分析，雷达故障应该属于“2.1(2)现象2”小节描述情况。

3.2 故障诊断、测试、判定方法

3.2.1 远程诊断分析

依据故障现象，按照“2.1(2)现象2”小节诊断流程进行远程诊断分析。

(1)远程视频→频率源锁相灯异常→标定/BITE分机二本振、基准源信号、相参信号指示灯正常。

(2)远程终端获取参数→RF激励检测功率下降(异常)→一本振检测功率下降(异常)。

(3)通过远程诊断分析，按照“2.1(2)现象2”小节诊断流程和模块故障可能性大小排序，基本可以判定，VCO频标综合、锁相环路模块故障可能性>频标综合模块的>FD4500模块的。

(4)通过远程诊断分析，基本可以确定激励源输出信号异常和频率源输出一本振信号异常，同时发射功率下降非常明显，所以在诊断、检查频率源之前，必须对激励源输出激励信号进行测试、分析。

3.2.2 现场模块级诊断、测试、分析判定

根据远程诊断、分析结果，该雷达故障不仅与频率源输出信号有关，也不排除与激励源调制信号有关。依据远程诊断判定结果，按照图2故障诊断流程，现场采用手持频谱仪和万用表进行逐一诊断、排查，排查VCO频标综合输入输出信号，频标综合输出50 MHz、100 MHz信号，FD4500模块输出4500 MHz信号。

图2 C波段天气雷达频率源故障诊断、测试流程图

(1)发射输入激励信号

①激励高频RF调制信号。激励源输出信号5470 MHz，正常功率≥27 dBm，使用频谱仪测量结果，中心频率偏移了155 MHz，功率为-15.7 dBm。从频谱图分析，激励源高频RF调制正常，可能在一本振和二本振两次上变频时，中心频率发生了偏移，但不排除中频IF调制时中频频率也有可能发生偏移，需要进一步诊断、分析激励源中频IF调制频谱。②激励中频IF调制信号。该雷达的激励源中频IF频率为60 MHz，测量结果显示，中心频率和功率值均正常，中频IF调制频谱图正常。

通过对激励源中频IF和高频RF调制输出信号排查，可以判断激励源工作正常，下一步需要对频率源进行诊断、测试、分析。

(2)稳压电源测试

稳压直流电源提供频率源单元所有模块电源供电，一旦电源异常，将导致所有模块工作异常，所以首先要进行稳压电源测试。使用万用表测量电源稳压器2输出各种电压，测量端子X1-X6，测量值分别为+24V、-24V、+12V、-12V、+9V、-9V，输入电压测量正常。再分别测量端子X7-X16，测量值分别为+24V、-24V、+15V、-15V、+12V、-12V、+9V、-9V、+5V、-5V，输出电压正常，说明频率源稳压电源工作正常。

(3)一本振信号测试

一本振信号正常工作频率5010 MHz，正常功率≥10 dBm，频率为4856 MHz，功率为10.28 dBm，显然中心频率偏离了155 MHz，表明一本振信号异常。

(4)FD4500倍频器输出信号测试

从频率源流程(图1)可知，一本振信号输出异常，除了和VCO输出到混频器的信号有关外，还与FD4500倍频器输出的信号4500 MHz有关。测试结果频率为4500 MHz，功率为2.73 dBm，表明FD4500倍频器输出信号正常。按照图1和图2流程，表明频标综合输出100 MHz信号也正常。

(5)频标综合50 MHz输出信号测试

频标综合50 MHz输出频率50 MHz，正常功率≥0 dBm。实际测试结果，功率为1.1 dBm，表明频标综合输出50 MHz信号正常。

(6)鉴相器输入100 MHz信号测试

鉴相器输入100 MHz信号是由频标综合100 MHz功分后输出的信号提供的，正常功率≥0 dBm，实际测试功率为0.82 dBm，表明频标综合输出100 MHz信号正常。

(7)VCO输入信号

VCO输入正常频率为350 MHz(7C批次雷达需要将50 MHz经P频标转换为350 MHz，10C批次直接输入50 MHz)，正常功率≥0 dBm，说明VCO输入信号正常。

(8)VCO输出信号

VCO输出正常频率为510 MHz，正常功率≥0 dBm，但实际测量没有任何信号输出，说明VCO变频综合工作异常。

通过以上诊断、测试、分析，可以判定VCO变频综合工作异常，从而导致一本振信号异常。需要更换VCO变频综合模块。

3.3 更换故障模块

故障判定后，需要更换VCO故障模块。由于鉴相器、低通滤波器和VCO压控振荡器是一套组件，其中环路增益和VCO的控制灵敏度两个参数是成套配置的，所以更换VCO变频综合，也必须更换锁相环路，两个组件必须一起更换，否则将影响锁相环路相位跟踪性能。

更换锁相环路和VCO两个模块后，测量一本振输出中心频率5010 MHz，功率为10.15 dBm，测量激励源输出中心频率5470 MHz，功率为27.8 dBm。观察发射机功率270 kW，回波和速度图均正常。

依据故障现象，按照远程诊断、故障模块级诊断方法和处理流程，能够快速准确定位故障，排除故障，提高故障响应时效，降低维护成本。

4 总结与讨论

(1)快速、准确地诊断、分析并排除频率源故障，需要远程和现场相结合的诊断、分析方法，同时要熟悉频率源的结构、信号流程、关键点测试波形参数及频谱仪的使用方法，按照模块信号输入、输出的排查顺序，测量并分析中心频率和功率幅度两个参数来判定模块的工作是否正常。

(2)针对锁相环路和VCO出现故障可以参考使用另外一种诊断和判断方法。由于频率源一本振信号输出采用的是相位跟踪技术，由图1可知，锁相环路组件鉴相器输入的100 MHz信号和VCO反馈频率经过鉴相后，由低通环路滤波器输出的是电压信号，正常情况下该电压是直流2.1 V左右。依此也可以直接判断锁相环路组件是否正常。

(3)在处理频率源故障时，尽量使用分析带宽分辨率较高的频谱仪，在分析、测试一本振信号和晶体振荡器输出信号的相位噪声时，可以更容易发现频谱边带的噪声信号。

(4)通过多次故障案例检验证明，本文归纳总结的频率源故障诊断、分析和处理流程，可以快速、准确地找到故障的关键问题，为雷达故障处理提供一些可以借鉴的经验。