深圳机场多普勒气象雷达发射功率偏低原因分析

陈洪彬

摘 要：文章介绍影响多普勒气象雷达发射信号的形成原理，并结合深圳机场多普勒气象雷达发射功率偏低的实际案例，分析哪些参数直接影响发射功率的大小及调整方法。希望能对同行遇到同类问题时有一定的参考对比作用。

关键词：多普勒气象雷达；发射机；功率；参数调整

中图分类号：V351.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0086-02

引言

深圳机场多普勒气象雷达（以下简称ADWR雷达）为安徽四创电子有限公司生产的C波段全相参脉冲多勒气象雷达，它能监测雷达站周边400公里范围内的气象目标，定量测量200公里范围内的气象目标强度，监测150公里范围内降水粒子群相对于雷达的平均径向速度及速度谱宽。ADWR雷达正常工作时，发射机输出脉冲功率达到250kW以上。由于发射机工作的高压高功率条件，发射机是雷达系统出现故障较多的部分，而发射脉冲功率也是衡量雷达性能的重要技术参数。根据气象雷达方程，当雷达发射脉冲功率出现异常下降后，雷达接收的回波强度随之降低，雷达的探测距离也相应减小。因此发射功率是反映ADWR雷达发射机正常与否最直观的指标参数，下文将对发射信号的形成进行介绍，结合故障实例分析造成发射功率下降的原因，以及怎样调整参数来调节发射功率的数值。

1 ADWR雷達发射脉冲信号的形成

ADWR雷达采用主振放大式发射机，发射机主要由主振振荡器和射频放大链两个部分组成。主振振荡器主要由接收机激励源分机的DDS信号源、激励中频调制、两次上变频、激励射频调制、激励功放，及发射机的固态放大器等组成。DDS源产生60MHZ连续波中频激励信号，送至中频调制器受发射脉冲调制，形成被矩形脉冲包络调制载波频率为60MHz的中频激励脉冲信号。该信号经过两次上变频，得到5430MHz的本雷达站射频信号，然后到射频调制器再次受调制，经中功率放大器放大输出0.5W以上的射频激励脉冲，再送至发射机的固态放大器，放大输出1～5W功率可调的射频激励脉冲信号至速调管输入腔，作为射频放大链的输入信号[1]。射频放大链主要由速调管、灯丝电源、磁场电源、钛泵电源、高压电源、固态调制器、脉冲变压器等组成。 三相380V交流电整流后，经软启动控制将直流高压送至以两个IGBT开关管为核心的开关变换器。两个IGBT开关管交替导通截止，输出幅度受到精确控制的方波脉冲到储能变压器，固态调制器的脉冲形成网络PFN上获得了幅度精确控制的高压，放电触发信号使固态调制器经脉冲变压器输出-40KV的高压脉冲加至速调管阴极，作为速调管阴极电压。

速调管输入的射频激励信号必须准确地嵌套在速调管阴极的高压脉冲信号顶部的平坦部分，速调管才能起到足够的放大效果，把1-5W的激励脉冲放大到峰值250kW以上的发射脉冲。速调管是发射机的关键部件，其增益大小直接决定雷达发射功率的大小，因此除了自身的硬件状况，速调管的激励输入和阴极灯丝高压是影响雷达发射功率的两个重要因素。

ADWR雷达发射脉冲信号流程如图1所示。

2 发射功率偏低原因分析

（1）速调管阴极发射能力下降。速调管的电子枪由灯丝、阴极、聚束极、阳极等组成，灯丝接电后发出热量，使阴极温度上升而产生热发射现象，从阴极发射出大量电子。在聚束极和阳极的配合下，阴极表面附近产生了聚焦电场，使得从阴极表面不同方向发射出来的电子聚成一束，形成圆形电子注射向收集极。深圳机场ADWR雷达速调管的灯丝电源为直流电源，额定值为6-7A。当速调管接近使用寿命时，阴极发射电子的能力将明显下降，影响速调管的增益性能，造成发射功率下降。当发射功率下降小于250kW时，可以尝试缓慢调节灯丝电流大小，来提高发射功率参数。一般顺时针增大逆时针减小，如果调整灯丝电流但速调管总流和功率都没有变化，并且用示波器合磁环测速调管收集极电流也小于14A，此时速调管很可能已经出现问题。

（2）速调管磁场线圈散焦。磁场电源的作用是使磁场线包产生均匀的轴向聚焦磁场，以保证速调管电子枪产生的电子注在速调管的整个渡越过程中获得最佳的聚焦效果。当磁场线圈发生散焦现象时，速调管阴极发射的电子在腔体内发生偏转，使得参加能量交换的电子数量减少，发射机输出功率因此降低。此时应该分别调整两路磁场电源的电流大小，调整范围7A-9A，得到最佳的参数值使发射功率得到提高。

（3）高压电源闭环峰值电流设置不当。高压电源采用回扫充电技术对调制器进行充电，充电过程分为储能变压器充电和脉冲形成网络PFN（也叫人工线）充电两个部分。回扫充电电路是一种控制电感储能的并联电感充电形式，当电感电流达到预定值时突然阻断对电感的储能，这个电流预定值就是高压闭环峰值电流。高压闭环峰值电流直接控制功率开关组件两个IGBT的导通时间，从而影响人工线的充电电容电压值，人工线电压决定了脉冲变压器的输出高压，也就是速调管的阴极电压。高压电源闭环峰值电流参数不当导致速调管的高压不足，自然发射机的输出功率也就偏低了。高压闭环峰值电流的调制可以通过发射机高压控保板的电位器RP1来调整，具体可查阅雷达手册《ADWR雷达参考手册（上册2）》第54页，调整过后观察控制软件界面的发射功率值和PFN数值，PFN数值最好不超过3.9，负责容易引起“可控硅”告警。

（4）发射接口板触发时序不当导致“嵌套”不好。ADWR雷达采用阴极脉冲调制，调制脉宽比从固态放大器输出的射频激励略宽，“嵌套”指得就是射频激励处在调制脉冲的顶部进行放大。如果两个信号嵌套不好，会影响射频的检波包络，发射功率也会降低。调制嵌套的形状可通过发射接口板的两个电位器RP1、RP2来调节，具体可查阅雷达手册《ADWR雷达参考手册（上册2）》第54页，两个电位器分别调节基准触发和发射触发的时序，对应着射频脉冲的前沿和后沿。调整射频的前、后沿，使其与当前设置的脉宽一致，并且刚好嵌套在速调管高压调制脉冲里面，这样才能保证射频信号的最佳放大效果，发射机功率才能达到正常值。endprint

（5）速调管输入激励信号功率不足。ADWR雷达接收分系统的激励源分机提供0.5W左右的射频激励信号，然后经过固态放大器放大到1-5W，再经过可变衰减器输出一个使速调管输出功率最大的最佳的激励信号值。假如固态放大器的输出功率值不足，自然经过速调管放大后也无法达到正常要求的发射功率大小。在实际的保障中，可以通过调节可变衰减器来调节发射功率大小。

3 故障案例检测

故障现象： ADWR雷达发射功率从250kW逐渐下降到100kW左右。

故障检测：在没有功率计、网络分析仪，等测量仪器的情况下，维护人员主要利用示波器，萬用表，监控维护软件、设备参数表头来对故障进行初步的定位和检查。

（1）检查系统状态信息及发射分系统参数。首先检查监控维护软件的整机状态信息，各分系统均无状态告警。然后加高压检查发射机监控指示面板各表头参数。速调管总流指示，是将电流信号转换成电压信号的显示值，0.8us脉宽，900Hz单频工作下，正常范围为2.3-3V；速调管管体电流，正常值应小于总流的10%；灯丝电流，额定值6-7A；高压电压，是高压电源的整流输出按100：1 进行比例显示，正常值为5V；高压电流，最大值应小于等5.5A；磁场电流，额定值为7-9A；钛泵电流，间接反映速调管真空度，最大值应小于等于10uA。经检查，以上高压发射表头参数均符合。

（2）检查速调管收集极电流。加高压后用示波器和磁环检查速调管收集极电流波形，磁环把速调管收集极电流转化为电压值显示。测量值为14V左右，大小正常，波形也符合正常形态。

（3）示波器检查发射脉冲检波包络。从定向耦合器出来加衰减器和检波器接到示波器，将雷达重复频率和脉宽设为固定值，加高压后查看波形。测量脉宽大小与所选参数一致，波形前后沿，顶部沉降正常。

（4）检查发射激励与高压脉冲嵌套。示波器通道1接磁环监测的速调管收集极电流波形，通道2接定向耦合器出来的发射脉冲检波包络波形，就是同时测量上述（2）（3）两个信号波形，检查两者的嵌套情况。速调管收集极电流的时序代表脉冲高压的时序，正常的时序情况应该是发射脉冲嵌套在收集极电流信号的中间，如图所示。

实际波形发现发射脉冲比较偏右，不在中间。此时，想通过发射接口板的电位器来改变发射脉冲前后沿的时序来调整信号嵌套，结果后沿能改变，前沿没变化。怀疑激励时序有问题。技术人员接着用示波器加衰减器和检波器检查接收机输出的激励信号（固态放大器的输入信号）检波波形，信号正常。怀疑固态放大器有问题导致嵌套异常。尝试跳过固态放大器直接把接收机输出的激励送至速调管，再通过接口板电位器调发射脉冲时序，此时前后沿均可调，信号嵌套可调整到正常状态。确定固态放大器工作异常导致信号嵌套异常。

（5）检查激励大小。跟厂家订做新的固态放大器到货后，厂家工程师携带功率计来检测和更换故障件。用功率计测量固态放大器的输出，证实固态放大器故障以致速调管的输入激励信号偏小，而且时序异常，信号嵌套不好，最终导致ADWR雷达发射功率偏低。

最终，更换了固态放大器，调整了速调管激励的大小，再通过调整灯丝电源，磁场电源，调闭环峰值电流决定的PFN人工线电压值，发射功率恢复到250kW以上。

4 结束语

速调管自身的性能状况，还有与其工作相关的阴极激励输入、灯丝的脉冲高压是影响ADWR雷达发射功率大小主要因素。在ADWR雷达的运维中，可以参考文章上述几个方面来查找发射机功率偏低的原因，并通过调整相应参数和更换部件使发射功率恢复到正常大小。以上几点原因仅供参考，实际运维中可能还有其他的功率影响因素，希望通过日后的经验积累和学习交流把结论进一步完善。

参考文献：

[1]安徽四创电子股份有限公司.民航C波段多普勒（ADWR）天气雷达系统手册[Z].2006.

[2]李勇.多普勒气象雷达发射系统的故障及处理措施[J].科技创新与应用，2014（31）：287.

[3]朱睿.多普勒雷达观测资料质量控制方法研究及其应用[J].科技创新与应用，2014（27）：291.endprint