SELEX二次雷达RF Source模块故障定位与分析

周逸凡

（中国民用航空西南地区空中交通管理局重庆分局，重庆 401120）

0 引 言

民航重庆空管分局一碗水雷达站所辖二次雷达设备是SELEX公司生产的SIR-S（Secondary Interrogator Radar with Selective Interrogation Mode Implemented）型二次雷达，为双通道配置，可以通过如下方式触发交叉连接。一是手动，通过操作指令；二是自动，当两个通道出现并发故障时，将进行一个通道的主用应答处理和通道管理单元与另一个通道的发射接收组合单元的交叉连接。该设备曾发生A通道故障，雷达单通道运行，设备提供服务的保障能力下降，故障产生的告警模块较多。面对如此纷繁的告警情况，雷达站工作人员仔细分析故障现象，按照应急流程操作设备并且通过梳理二次雷达信号流程以及查阅官方资料后确定了故障模块为RF Source板件。下面对这次的故障排除工作进行详细介绍，希望能对相关人员有所帮助。

1 物理描述及系统监控方式

1.1 物理描述

一碗水二次雷达型号为SIR-S，采用ALE-9型号开式阵列天线（由水平方向并排排列的35个辐射柱组成），发射频率为1 030 MHz，接收频率为1 090 MHz[1]。SIR-S二次雷达设备是由2个机柜组成的双通道系统，每个机柜包含1个发射单元（固态）、1个接收单元、1个应答处理和通道管理（RPCM）、1个转换开关、1个配电组件以及1个执行控制面板。

对于2套相同的发射机/接收机通道，一个与天线连接，另一个作为在运行通道发生故障时的备份。2个发射机/接收机通道与2套RPCM数据提取/控制组件交叉连接，2套RPCM具有雷达控制和雷达数据提取的功能。在正常运行模式下，一个发射单元和一个接收单元与天线相连接（主通道），另一个发射单元和另一个接收单元以热备份的方式与虚拟负载相连接（备用通道）。在与天线相连接的发射机或接收机出现故障的情况下，这个发射机接收机组合将与虚拟负载相连接，而另一发射机接收机组合与天线相连。2套发射机接收机组合之间的转换功能是由转换开关组件完成的。2个RPCM单元具有主用/备用、容错配置。发射单元、接收单元和转换控制组件由自己通道的RPCM控制，也被另一个通道的RPCM控制。2个RPCM单元都从发射机/接收机通道接收状态和告警信息。2个发射/接收通道接收相连接的RPCM的控制和测试信号，同时将状态和告警信号发送给RPCM。基于2套发射机/接收机组合的状态和告警信息，评估2套组合的运行状态，以保证雷达性能[2]。

当告警出现时，主用RPCM比较2套发射接收组合的告警状态并决定要执行的操作。主用RPCM通过转换开关组件控制发射接收单元的配置，也就是控制指定的发射接收组合与天线相连接。2个RPCM相互之间交换所有的信号和信息，这些信号和信息用来进行通道转换，转换开关组件的控制和RPCM的校准。

该产品的特性是设备模块化设计，即特定功能由单一组件完成、每一组件可隔离处理并单独进行测试以及每一组件单独供电。发射机单元由模块发射机接口处理器（TXIP）、RF Source模块（射频源）、2个低压驱动放大器模块（Main/Aux发射机通道一样）、2个主（Main）高功率放大器模块、1个辅（Aux）高功率放大器模块、检测器模块以及供电模块等组件组成。

SIR-S雷达发射机单元采用双发射机配置（主用和备用通道），采用全固态发射机和插入式装置[3]。

SIR-S发射机射频源(合成器/调制器)上的合成器产生1 030 MHz的RF信号，并分成3组输出，1个连续波（Continuous Wave，CW）输出给接收机的本地晶振，1个调制输出给Aux放大器链，1个调制输出给Main放大器链。在没有衰减的情况下，发射机组件产生一个最小峰值输出功率为+64 dBm。Main和Aux发射路径上有2套相同的Main/Aux低功率放大器，在低功率放大器和高功率放大器内部，输出功率水平的变化是通过控制放大电路输出的调制器电路实现的。RPCM通过TXIP接口控制调制器电路的参考值。Main和Aux高功率放大器的输出功率相似，但是它们的电路设计不同，而且Main和Aux发射机对发射占空比的要求不同。发射单元不同模块的BITE信息被发送到TXIP，TXIP还与2个RPCM相连接。供电单元引入了模块化设计，具有一个主输入，为发射单元组件的不同模块提供48 V和12 V的直流输出电压。

接收机单元由预选滤波器、射频和测试本振（RF&TO）、对数放大和相位检测（LOG&PD）、接收机控制和监视（RXCM）等组件组成。SIR-S接收单元作用为：①接收预选滤波器组件来的SUM、DELTA、OMNI信号；②将 RF 信号 (1 090 MHz)下变频到中频(60 MHz)；③在信号中频放大时按照ICAO规范对信号进行滤波。信号中频放大是通过对数放大器实现的，对数放大器能够保持幅值与相位的匹配关系，提取相位信息，将中频信号转换为视频信号。

1.2 系统监控方式

一碗水雷达站二次雷达的监控方式有SSR LCP与控制和监测系统（Control Monitoring System，CMS）。通过二次雷达本地控制面板SSR LCP，可以观察系统运行情况并根据需要对二次雷达进行控制，如开关辐射、切换通道等操作。CMS主要负责监测雷达系统状态，并控制雷达系统。CMS能够连续对设备进行状态监控，实时显示告警信息，提供人机接口界面，保存日志和数据。此外，还能提供状态报告和诊断信息，并能通过颜色图形表示设备故障的类型和位置，同时提供声音报警。

除此之外，当设备中某一块板件发生故障告警时，也可以通过机柜中板件的告警指示灯直观地观察板件是否有异常。同时，系统还配备有雷达监视管理系统，可以处理雷达系统本地或远程的操作和信号，接收每个设备的状态信息，并切换冗余设备的主备用关系、在监测设备上给出信息等。诊断性信息能通过雷达数据线或单独的线传送到工作站点，使得工作站点能远程控制整个雷达头。雷达维护监视器（Radar Maintenance Monitor，RMM）能以图像显示雷达在周围环境中的工作情况和性能，可以利用RMM观察整个雷达系统的工作情况、有无干扰等[4]。

综上所述，一碗水雷达站对于设备的监控有多种方式，能够在发生故障时帮助工作人员准确定位故障点，快速排查和处理故障。

2 故障分析与处置

2.1 故障现象

查看SIR-S二次雷达设备的监控发现了以下告警现象，一是CMS上出现二次雷达A通道发射机射频源与调制模块告警、对数放大和鉴相模块告警，二是详细告警显示测试振荡器故障、对数控制和通道故障以及下变频和射频控制故障[5]。查看SSR LCP监控，同样发现A通道告警，发射机和接收机告警灯亮。查看二次雷达A通道设备机柜，发现发射机告警指示灯亮。

2.2 故障分析

通过以上的观察，可以确定是A通道发射机故障。对CMS、LCP等监控进行操作来定位故障点，以此进行下一步故障排查。

首先，在LCP上对A通道的TX和RX进行保护复位，复位后如果告警仍存在，说明并非误告警；其次，检查A通道发射机各接线部分是否因松动而造成故障，检查完毕后重启A通道，重启完成后如果告警未消除，说明并非连线的问题。此外，判断是否为板件故障。根据监视显示，A通道发射机故障且影响到后面接收机中的射频和测试本振、对数放大和相位检测模块产生告警。射频和测试本振在物理上可以分为两个部分，分布在两块不同的印刷电路板上，分别为RF和TO。RF由限幅器和耦合器组件、低噪声放大器组件、带通滤波器（Band-Pass Filter，BPF）组件以及混频器组件组成。通过限制RF功率电平来保护接收机免受强输入信号损坏，同时将来自TO的测试信号链接到3路接收链的自动环路控制上来评估接收机性能[6]。TO部分负责产生用于测试接收机功能的测试目标信号。RF中混频器的作用是将接收到的 RF 信号与发射机 RF Source传来的 1 030 MHz连续波信号混频得到60 MHz中频信号，经过带通滤波器处理后送到对数放大器。

LNA是输入RF信号进入的第一个放大电路，具有高增益、低噪声特性，可以保证接收机整体的低噪声特性。带通滤波器的目的是在信号进入混频器之前滤除970 MHz的信号。通过RF电路上的电压可变激励器可以调整每个通道增益，从而使3个通道的增益一致。位于射频链输出位置的带通滤波器根据ICAO规范实现特殊的频率屏蔽，通过这种方式从射频输出到对数通道的信号已经具有需要的频率特性。通过接入测试信号，当输出信号电平落在前面确定的标称值附近的区间段之外时，BITE电路提供一个故障指示[7]。将 1 030 MHz信号与 60 MHz的测试本振信号在混频器M1中混频，通过混合这两个信号可以得到1 090 MHz的测试信号。RF模块的输出是对数放大器的输入，三路匹配对数放大器具有90 dB的增益。

对数放大器和相位检测器模块在物理上也可以分为两个部分，分布在两块不同的印刷电路板上，分别称为LOG和PD[8]。LOG电路由IF对数放大器组件、电压可变衰减器、视频放大器以及BITE模块组成[9]。PD电路由采样保持块组件、限幅器组件、IF对数放大组件以及基准电压组件组成，包含有关闭三路ALC环路的电路[10]。对数中频放大器产生到相位检测器的IF信号等。幅值和相位控制器用于保持三路接收通道增益恒定。来自对数放大器的LOG SUM和LOG DELTA的60 MHz信号被送到相位检测器。

由以上信号流程可知：①由于RF Source模块无法产生 1 030 MHz连续波信号，因此 RF Source 模块出现告警；②由于接收机无法接收到1 030 MHz信号，因此无法合成测试信号、也无法将射频信号与发射机 RF Source 传来的 1 030 MHz连续波信号混频得到60 MHz的中频信号，导致RF&TO模块告警；③由于对数放大器和相位检测器模块无法接收到前级（RF电路）的中频信号，因此该模块告警。图1为RF Source模块产生的1 030 MHz连续波信号到RF&TO模块和LOG&PD模块的信号流程。

图1 1 030 MHz 信号传输流程

根据以上分析，初步怀疑是RF Source模块故障，从而引起其他模块告警。

2.3 故障处置

确定故障点后，根据以下步骤对RF Source板件进行更换。在SSR LCP监控软件上，确认处于本地控制状态，关闭主用通道的辐射（一旦主用通道辐射关闭，备用通道的辐射也自动关闭），然后选择A通道的Chanel Configuration=>update setting，在这个页面选择“system shut down”按钮（关闭A通道的RPCM软件），最后等待SSR LCP监控软件显示RPCM状态为红色。在A机柜上点击Power on按钮（关闭），再依次从右至左关闭TX、RX、RPCM、MainLine空开，依次关闭机柜各电源组件。更换RF Source板件备件，换好备件之后在A机柜上依次从右至左开启TX、RX、RPCM、MainLine空开，再点击“Power on”按钮（开启），等待2、3 min后RPCM启动，检查SSR LCP上是否有告警，确定无告警后开启辐射。开启之后观察监控及设备，发现告警消失，设备运行正常。然后将A通道切换为主用，观察一段时间后，确认设备信号正常。由此，可以确定告警是RF Source板件故障引起的，处置方法正确。

3 结 论

随着雷达设备模块化程度越来越高，对于雷达故障的定位也将会越来越准确、快速。当然，这一切的实现都离不开工作人员的知识技能储备，要求工作人员对雷达信号流程十分熟悉，对雷达各个模块的功能也要了然于心。模块之间的相互联系可能会导致其中一个模块出现故障时整个监控上产生复杂的告警信息，这时就需要更沉着冷静地进行分析，利用多种手段来快速定位故障点并解决故障，为目前安全要求越来越高的民航事业做好基本的飞行保障。