CINRAD/CD型天气雷达发射机速调管故障诊断分析

罗 红，陈 熹

(贵州省黔南自治州气象局，贵州 都匀 558000)

1 引言

都匀CINRAD/CD型天气雷达自2005年1月正式投入业务运行以来，至今发射机运行总加高压累计时间为47 425 h。2009年因速调管失效更换过1只，2只速调管加高压运行时间已上万小时，远远超过出厂标称时间5 000 h。在近8 a的使用中，发射机总故障次数共15次，其中发射机调制器故障4次，掉高压故障8次，速调管失效故障1次，发射功率偏低故障2次。速调管长期处于高温高压的工作环境，故障出现几率较高，一旦出现故障将直接影响雷达探测信息的采集，导致影响天气探测业务。通过多次对发射机速调管进行维护的经验，根据雷达探测信息的变化，找出速调管故障具体的维修措施，为其他从事雷达故障排除的机务人员提供参考，更好的保障新一代天气雷达正常业务运行，在减灾防灾中发挥更大的作用。

2 速调管工作原理

CINRAD/CD型天气雷达发射机采用KC4082型永磁聚焦速调管，利用直线运动的电子注与微波场交换能量，输出大功率微波信号 。它由6个主要部分组成:电子枪;射频结构;永磁聚焦系统;收集极;输入输出耦合装置;钛泵电源。其工作原理:从阴极发射出去的电子，经过电子枪的作用形成均匀速度和密度的电子注，馈入输入腔激起高频振荡，在腔内的高频电场环境下，实现电子速度调制，电子注进入无电场的漂移管，快电子赶上慢电子，形成群聚，实现电子密度调制，群聚电子穿过输出腔激起感应电流，与高频场进行能量交换，大部分转换成热能通过风机带走，约35%的剩余电子转换成动能打到收集极上，最终实现微波放大与振荡，经波导送至天线，完成电磁波发射。

图1 发射机高频微波链路

3 速调管高频微波链路特点

如图1所示，速调管外围电路分为:功放分机、灯丝偏磁分机、速调管、脉冲变压器和钛泵电源，这5部分组成速调管高频微波链路电路。功放分机，将频综送来的约10dBW激励信号经输入衰减、固态放大、输出衰减器、滤波调整输出1.8W脉冲微波信号达到调管的最佳激励状态;灯丝偏磁分机，提供灯丝电源、脉冲变压器偏磁电源，同时提供冷却风机缺相保护功能;脉冲变压器，将调制器送来的低电压、大电流调制脉冲经转换成高电压、小电流调制脉冲，提供给速调管阴极;速调管，作为发射机的末级功率放大器，将功放分机送来的2W脉冲微波信号放大至250 kW;钛泵电源，确保速调管在工作中不会因为真空度不够而影响正常工作和寿命，工作时为其提供钛泵电源，同时对过大的钛泵电流提供保护。

4 典型故障分析

4.1 速调管失效无回波故障

故障现象:体扫时无回波，重启雷达仍无回波，高压可加，天线正常转动。

诊断分析:在观察到无回波的情况下，首先判断是接收机故障还是发射机故障。如检查接收机各工作指示灯均正常，场放电流很小接近，标校检查也正常，则判断接收机正常，故障定位在发射机上。检查发射机风冷系统正常，灯丝电流、电压正常，钛泵电源电流、电压均合格，高压、磁场1，2的电流、电压是否正常，速调管KLY注电流正常为45～50 mA，出现问题时，比正常值偏低，如速调管KLY注电流为30 mA左右，此时同时测量高频输入的信号，用示波器可观察到脉冲宽度约为10 us，输入信号正常。高频输出的信号如图2，通过速调管收集极耦合脉冲输出波形脉宽＞1 us和幅度10 V(正常幅值14 V)，波峰结束时出现“凹槽”，“凹槽”达到整个脉冲幅度的1/2，约5 V左右时，发射脉冲高度明显下降，接受机误认为出现主副2个脉冲无法识别，所以发射功率、回波强度基本没有，判断故障出在速调管上。经过上述检查速调管所有外部工作环境均正常，但速调管KLY注电流比较低，输出脉冲波形幅度降低，再根据速调管使用的时间，在出现此类情况下，可断定速调管老化失效了，应立即更换备件。

故障总结:灯丝、钛泵、注电流、磁场电源等是速调管技术指标，在外部环境都正常的情况下，注电流、脉冲输出波形和服役时间是判断速调管失效的重要依据［1］。更换新管后，钛泵电流往往偏高，应长时间开低压对新管进行老练，使钛泵电流降下来，待电流＜5 uA后，可开高压工作。

4.2 掉高压故障

故障现象:体扫时频繁掉高压，掉高压后准加灯熄灭无回波，故障复位后，准加可加，高压恢复，雷达可正常运行，运行一段时间多次掉高压，复位又可恢复。

诊断分析:掉高压后无任何报警出现，雷达体扫数据只有几M(正常9层体扫数据为12 M)，PUP产品数据也就只有1 kB。出现此类故障时，应先从发射机开始排查，首先，检查发射监控分机面板是否有故障指示，其次，检查调制柜底板上的保险丝有无烧坏的情况，可排除元器件损坏的可能;对各机柜除尘清洁处理，并更换发射机高频柜散热轴流风机，用温度测试仪，多次测量的高频柜内的温度此时都超过40℃，而符合发射机本身温度指标在0～40℃。说明机柜内温度长时间过高，速调管无法稳定的工作出现频繁掉高压现象。高频柜内速调管高频高压高温器件需要良好的通风散热系统，如图2所示出厂设计的散热系统，速调管50dB增益特性，仅有30%经过天线以电磁波形式发射出去，剩余70%转化成热能主要通过冷却风机带走，机柜内其余器件热量通过机柜顶和侧面的轴流风机散热，由于冷却风机的风道呈“L”型，排出来的热空气需要拐弯才抵达出风口，阻滞了热空气顺利排除，温度过高轴流风机也不能及时排除热量［3］。此时应在机房室内加设空调制冷，让发射机温度下降，并监测机柜内的温度，使之保持在40℃以下，拷机运行，确保故障不再出现。

故障总结:发射系统由于偶然的因素出现掉高压现象，可复位后继续工作，但是连续数次复位后开机掉高压，应针对相应的故障进行分析、检查。温度往往是发射系统故障、隐患的重要参数，不可忽视。机柜温度有效合理的控制，可保证速调管长期安全地使用和雷达整机稳定运行。

图2 速调管通风系统框图(箭头代表风道方向)

4.3 发射功率偏低，回波减弱故障

故障现象:探测到回波减弱，测量发射功率值偏低。

诊断分析:如发现探测到的回波信号明显减弱，同时测量发射机峰值功率只有180 kW，通过调整可变衰减器勉强达到200 kW，并且功率的波动幅度也明显大于前期，除此以外，雷达系统没有其他故障报警指示，脉冲重复频率等一系列指标也无异常，测量脉冲调制波形正常输出，可以初步判断故障出在全固态调制器的几率不大。因为故障一旦发生在全固态调制器，加在速调管阴极的脉冲调制将出现紊乱或无法提供脉冲变压器初级所需的40～45kV的脉冲高压，从而导致脉冲重复频率等指标出现异常，或者使速调管的输出功率降得很低甚至没有输出，而不会像此现象，功率依然能稳定在200 kW这样一个“相对较高”的水平上。

综上分析，故障发生在高频放大链的几率较高，所以故障检测的重点应放在高频放大链上，根据高频放大链的信号流程，进行跟踪检测。高频输入信号来自频综，对射频激励信号进行测量，测得峰值功率为10 mW，脉冲宽度约为10μs，说明高频输入信号正常，高频输入信号经过功放进行初级放大，满足速调管激励输入。用功率计测得激励器实际输出信号为1.1 W，可以判定故障出在功放上，测量功放上的GASMOSFET主放大器3A5输出，输出的驱动脉冲上升沿中部出现了一个“拐点”，导致脉冲宽度减小。因为上升沿出现了“拐点”，其占有的时间相对较多，导致脉宽减小，脉冲信号的占空比也随之减小。无论是功率计还是雷达系统机内的功率参数显示，都与占空比成正比例关系，占空比的减小必然会导致发射功率的下降。主放大器3A5输出重新测量输出波形，上升沿“拐点”消失，脉冲宽度正常，用功率计测得发射峰值功率为250 kW，拷机48 h，输出功率稳定，故障排除。

故障总结;调节可变衰减器，峰值功率以及发射脉冲包络的波形都跟随着改变，说明可变衰减器性能完好［4］;速调管放大器，一旦损坏，发射功率就会降得非常低甚至没有输出，所以此次出现的情况，肯定不会是由速调管引起的;保护组件，起监测高频电弧及高频反射检波包络幅度的作用，如果超限，将立刻切断高压，而不会出现发射功率陡降但仍有部分输出的情况。

5 小结

在新一代天气雷发射机中，速调管作为高频链路的末级放大器，需要掌握原理特点以及外围电路设计特点，定期检查速调管各项运行指标，控制环境温度，提前消除故障隐患就能保证其良好的性能，并更好地延长各器件的使用寿命，减低故障发生率。

［1］李勇，黄丹萍，王静.新一代天气雷达发射机速调管失效判断［J］.气象科技，2010，38(3):344 －346.

［2］徐八林，刘黎平，张涛，等.CINRAD/CC雷达速调管运行状态控制［J］.气象，2006，37(3):373 －378.

［3］李培明.CINRAD/CC雷达冷却故障个例分析［J］.气象科技，2008，36(1):123 －124.

［4］吴少峰，胡东明，胡胜.一次CINRAD/SA雷达发射机功率偏低故障的分析及处理［J］.气象，2009，35(10):108－112.