速调管频率特性导致的雷达回波偏弱故障诊断实例

赵 威，单宝玉，叶 勇

(1.新疆巴音郭楞蒙古自治州气象局，库尔勒 841000；2.中国人民解放军69006部队，乌鲁木齐 830002；3.黑龙江省大气探测技术保障中心，哈尔滨 150030)

0 引言

中国新一代天气雷达布网逐渐完善，在短时临近预报、局地强对流天气预警、人工影响天气和防灾减灾等方面发挥着不可替代的作用。与此同时，新一代天气雷达技术保障工作的重要性也日益突显，对保障人员诊断和处理雷达故障的时效性要求越来越高。及时归纳和总结雷达故障处理的方法、经验，是提高雷达理论水平、维修实践能力的重要途径。雷达回波偏弱作为新一代天气雷达比较典型的故障，国内相关研究领域有很多宝贵的技术经验总结，但这些文章对由速调管自身工作特性导致的回波偏弱故障的分析少有涉及。文章讨论的库尔勒新一代天气雷达(CINRAD/CC)回波偏弱故障处理包括信号流程的简要介绍、相关分系统导致回波偏弱故障的分析和诊断，通过逐步测试、分析、排查，发现因速调管自身工作特性导致雷达回波严重偏弱的现象，并对其成因进行了理论分析[1-3]。

1 雷达信号流程

库尔勒CINRAD/CC雷达于2015年4月更换了新速调管，经过1 a多的运行，预报员根据以往观测经验，发现库尔勒站雷达回波强度明显偏弱。因没有严格意义上的对比环境条件，初步判断偏弱在10 dB左右，回波强度的不准确严重影响了预报员对雷达回波的分析判断及预报预警业务。

雷达回波偏弱故障涉及的雷达分系统较多，包括发射机、接收机、天馈分机和伺服分机，其信号包括两路：一路是发射信号；一路是接收信号。两路信号出现问题都可能造成回波偏弱故障。

2 故障分析和诊断思路

雷达回波偏弱故障主要从3个方面来分析：一是发射系统发射功率下降导致回波减弱；二是接收系统提供给发射机的激励信号功率下降，及接收通道性能变差，增益下降引起的回波变弱；三是天馈系统损耗变大时未进行馈线参数修正补偿引起的回波变弱。此外，天线俯仰标定误差也可能导致回波偏弱。

2.1 发射系统

1)查看速调管功率是否下降。

CINRAD/CC雷达速调管正常使用寿命为8000 h，目前各台站的使用通常能超过10，000 h。当速调管的使用时间超过8000 h，需定期对雷达发射机工作参数进行检查测试，测试内容包括：

①用功率计测试雷达发射功率是否满足≥250 kW要求；

②用示波器和磁环感应器测试速调管收集极的电流幅值是否满足≥14 V的要求，通过波形判断速调管是否老化，是否需做出相应的调整或更换；

③在速调管有老化迹象但不能马上更换的情况下，查看人工线(PFN)、灯丝、固态激励放大器等可调谐器件是否还存在可调谐的空间，调谐前后的各电位器位置一定要记住，一旦调谐到满足指标，后期需密切关注速调管运行状态。

2)查看发射脉冲信号是否产生宽度或嵌套位置的变化。

首先看发射窄脉冲宽度是否满足0.9～1.1 μs的技术指标；其次看发射脉冲信号与收集极电流嵌套是否在最佳位置。经过长时间运行，由于温度变化、设备老化等原因使激励源分机中控制激励信号的电位器电位产生漂移、失效，从而会导致发射脉冲信号的脉冲宽度和位置发生改变，导致速调管不能达到最佳的功率输出。

3)查看发射脉冲的频谱、改善因子是否满足技术指标要求；查看固态激励放大器输出的激励信号的功率幅值是否满足技术指标要求。

2.2 接收系统

1)利用频谱仪测试激励源分机的激励信号功率幅值是否≥27 dBm、改善因子是否≥52 dBm；

2)利用机外、机内噪声源对接收系统噪声系数进行标定，噪声系数是接收通道输入信噪比与输出信噪比的比值，检查噪声系数是否异常，从而判断设备前端工作状态是否正常；

3)设置信号源、频谱仪参数，实测接收机回波口至中频输出的通道增益是否满足≥27 dBm的技术指标要求；

4)设置信号源参数，查看机外、机内特性曲线特征是否一致，DDS信号源接收动态范围是否满足≥85 dBm的技术指标要求。

此外，还要检查接收系统的各种电缆连接是否正常。

2.3 天馈系统

天馈系统主要是查看天馈的损耗是否有变化。天馈系统的损耗在现场架设、调试后通常不会产生明显变化，但部分旋转关节会因长时间运转产生磨损、变形、机械损坏而发生波导系统漏气。天馈系统处于室外环境，温湿因素还会造成波导内部受潮生锈，这些变化都会使馈线损耗增加，如果没有进行相应的补偿，就会导致回波减弱。主要从以下方面进行检查：

1)检查天馈系统的各型波导、旋转关节是否存在漏气的现象；

3)测量天馈系统收发支路损耗值，确认是否与雷达监控终端配置参数中的总损耗值一致。

2.4 天伺系统

检查天线座是否水平、天线俯仰标定是否准确。天线水平超差、俯仰标定误差都可能导致回波偏弱。

3 故障排查和处理过程

根据故障原因确定诊断思路，文章对故障涉及到的各分系统或分机进行逐一排查。

3.1 发射系统检查

1)查看速调管工作状态。该速调管高压工作时间未超过8000 h，利用示波器查看磁环(电磁互感器)耦合出来的速调管收集极电流的幅值在15 V左右，且未出现明显老化迹象，说明速调管目前状态是正常的。

2)是检查发射脉冲宽度。利用示波器检波检测发现雷达发射窄脉冲为0.87 μs，低于0.9～1.1 μs指标要求。通过调整激励源分机时序控制盒中的R10电位器来调整IF激励信号窄脉冲宽度，将窄脉冲宽度调至1.007 μs，通过调整时序控制盒中的R9电位器调整IF激励信号时序(位置)，将IF激励信号嵌套在中频IF调制脉冲信号中，保证输出效果最佳。

3)测试发射功率。对离速调管输出端最近的定向耦合器发射耦合口进行测量，设置功率计中心工作频率为5490 MHz，Offset为76 dB。其中耦合器耦合度为耦合器上临时标注的52.5 dB，衰减器为20 dB，测试线缆损耗3.5 dB，共计76 dB。测试重频600 Hz、900 Hz、1000 Hz下的发射机输出功率，均为118 kW，无法满足250 kW的技术指标要求。

4)分析发射机频谱。利用频谱仪查看发射机输入、输出端改善因子(速调管前后)，并与2016年春季巡检的结果进行对比，由此可知故障在其他分系统中。

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3.2 天馈系统检查

文章对天馈系统所涉及的波导、弯波导、波导旋转关节进行检查，并未发现漏气和内部生锈现象。业务人员对该站雷达收发支路总损耗进行了测试，测量值为-14.6 dBm，考虑2根测试线缆的损耗6.8 dBm以及谐波滤波器1.56 dB的损耗，实际收发支路损耗为6.24 dB。雷达监控终端软件配置菜单中馈线损耗参数为5.15 dB，将该参数现场修正为实际测试的6.24 dB。

对馈线损耗进行修正后，从雷达终端观察雷达地物回波还是偏弱，说明故障点在接收系统。

3.3 接收系统检查

首先对接收通道增益进行测试。用信号源从射频接收分机回波口注入频率为5490 MHz，功率为-40 dBm信号(此处已考虑测试线缆的损耗)，用频谱仪在射频接收分机中频输出口对60 MHz中频信号进行测试，得出功率为-11.40 dBm，所以通道增益为：-11.4-(-40)=28.6 dBm。该测试值满足≥27 dBm的技术指标要求，说明接收通道增益是正常的。

其次检测激励源发出的激励信号改善因子和功率幅值是否满足技术指标，实测结果见表1。

表1 激励源出RF极限改善因子测试结果

表1中，实测改善因子远小于52 dB，激励信号测试值为-8.07 dBm，该值加上20 dB的衰减器和3.5 dB的测试线缆损耗，最后得出激励源发出的信号功率幅值为14.93 dBm，14.93 dBm远小于27 dBm的技术指标要求。因此，故障点在接收系统频率源分机及其前端。

为确定故障点具体位置，先对激励中频调制出信号的功率幅值和S/N信号进行测试。实测中频IF功率幅值为-2.91 dBm，激励中频调制出信号S/N信号值为75～76 dB。

上述两项数值均满足技术指标要求，说明激励中频部分没有问题，故障点应该在射频调制部分，可能是IF激励信号时序(位置)偏移或RF射频输出出现故障导致。

3.4 测试用器件检查

经过对发射系统、天馈系统、接收系统的检查、测试和更换器件调整后，发现接收系统输出的激励信号的功率幅值17.98 dBm比正常指标幅值低10 dB左右，正常激励信号功率幅值应该≥27 dBm。

重新对发射功率进行测试，发射功率在70 kW左右，用前后耦合口，雷达仍达不到正常指标，较功率放大模块更换前的118 kW下降了近50 kW。

为了排查原因，业务人员利用信号源和频谱仪对在测试功率中所使用到的定向耦合器、衰减器、测试线缆等器件损耗进行测试确认，发现衰减器耦合度虽然出厂标注为20 dB，但实际衰减度为29.98 dB，误差近10 dB。该误差严重影响故障的判断和定位。补偿该误差后，激励源输出的激励信号功率幅值满足技术指标。

业务人员还利用信号源和频谱仪对定向耦合器的耦合度进行了现场实测，发现定向耦合器上临时标注的耦合度值52.5 dB是一个错误值，实测换算后的耦合度值为45.29 dB。

在确认了雷达激励信号、雷达通道增益、雷达发射耦合口耦合度和衰减器均正常的前提下，再次进行发射功率测量。在功率计中重新设置耦合度Offset的值，同时在调整脉冲宽度后对功率计中占空比Duty进行重新设置，确保测量设置准确后，实测发射机功率依然很小，只有75 kW，该测量值远小于250 kW的技术指标要求。

3.5 速调管工作特性导致故障及处理措施

经过上述排查，故障点定位到速调管。该速调管为中电科12所研制的VE1141A型C波段速调管，工作带宽100 MHz，有5个工作频点(5410 MHz、5430 MHz、5450 MHz、5470 MHz、5490 MHz)。通过人工设置接收机频率源分机面板频率，改变速调管的工作频点。对不同频点的发射功率输出进行测量，得到该速调管在等激励输入情况下，工作频率与输出功率之间的关系，见表2和图1。

表2 等激励输出功率实测与计算值

图1 等激励功率-频率特性

从表2和图1可以看出，该速调管最佳工作频点是5470 MHz，输出功率为82.20 dBm；而5490 MHz工作频点，输出功率为73.21 dBm，较其他工作频点输出功率下降8 dBm左右，是输出功率最低的频点。通过调整发射系统固态激励放大器的电位器，查看5490 MHz工作频点功率幅值无变化，无法进一步提高输出功率。该速调管在工作频点5490 MHz时的输出功率增益无法达到其设计的技术指标要求。这种因速调管频率特性而引起的某频点功率不达标的现象在雷达维修实践中较为罕见。

从理论上分析原因，按照速调管设计要求，其等激励效率频率特性应该是相对平坦的，但由于群聚段谐振腔外部Q值，频率分布的微小差异和电子枪导流系数及输出段阻抗特性的不重复性，经常会造成等激励效率频率特性的不平坦。

业务人员应该采取的措施是更换频率特性不满足要求的速调管或在速调管前端插入一个具有一定衰减特性的梳线带通滤波器进行补偿。但在维修现场临时将该速调管工作频率切换为5470 MHz。在5470 MHz频率点上，测试发射机输出功率满足≥250 kW的技术指标；发射机输出端改善因子为50.78 dB(1000 Hz)和51 dB(600 Hz)，均满足大于49 dB的技术指标要求；观察雷达地物回波强度已明显增强，对比该站几年前雷达地物回波，回波强度趋于一致。故障的根本原因已查明，通过临时更换频点暂时排除故障。

4 结束语

通过该故障的排查，了解到新一代天气雷达回波偏弱是综合性故障，该故障的诊断和排查涉及到雷达的多个子系统或分机。因此技术保障人员应充分熟知雷达各部分信号流程，熟悉故障可能涉及的各个部件的测试点的技术指标、测试方法，熟练使用各类测试设备。因速调管工作特性导致的雷达回波偏弱的故障现象较为罕见，这就要求保障人员不但能进行常规的测试维修和判断，还能对特殊的故障现象进行分析处理。

在维修测试实践中，定向耦合器、衰减器、测试线缆等器件的损耗要进行现场实测确认，以防因这些器件标识的不准确而导致误判，从而影响故障处理进度。维修过程中还要仔细检查同轴线缆的连接，防止因为同轴线缆老化导致接触不良、接头开裂、虚焊等情况发生，造成信号衰减。

在进行雷达台站速调管更换时，技术保障部门应该对更换后的速调管工作状态、频率特性进行现场实测，确认速调管处于良好的工作状态和频率特性，以满足技术指标要求。