中频通道故障检测与改进措施

王媛，高俊姣

（南京电子技术研究所，江苏南京， 210039）

0 引言

接收机是雷达系统中重要的组成部分，其性能的优劣直接影响雷达整体的探测性能。雷达接收机的主要任务是将天线接收到的微弱回波信号从噪声中提取出来，经过放大和滤波之后传输给信号处理等设备[1]。本文选用的雷达接收机主要由前端放大组件、高频通道组件和中频通道组件组成。前端放大组件的作用是将天线接收到的微弱射频回波信号进行放大处理，之后送给高频通道组件；高频通道组件将放大的射频回波信号与本振信号进行混频处理，下变频为中频信号送给中频通道组件；中频通道组件负责将高频通道组件送来的中频信号进行滤波放大处理；最后送给中频采样进行数字采样。接收机工作时，出现A路报故现象。现场通过更换前端放大组件、高频通道组件和中频通道组件进行故障排查，最终定位中频通道组件出现故障。

1 中频通道工作原理

中频通道工作原理框图如图1所示。

图1 中频通道工作原理框图

中频通道主要由4只滤波功分模块、1块电源滤波板及若干电缆组成，共有四路通道，分别为A路通道、B路通道、C路通道和D路通道，并且四路通道的输入和输出是相互独立的。每路通道输入信号经过一只滤波功分模块进行滤波、放大和功分处理，输出信号送给下一级中频采样组件进行数字采样；电源滤波板对接口电源进行滤波，分为四路送给4只滤波功分模块。

2 故障检测

中频通道故障件返回后，对故障进一步定位。常温时，该中频通道组件工作正常，考虑到故障时天气比较炎热，故将中频通道放入试验箱进行高温试验，分别对A路和D路输出信号功率进行比较测试。

■2.1 中频通道故障检测

根据中频通道工作原理框图得出中频通道故障由电源故障、电缆故障和滤波功分模块故障组成，列出中频通道故障树如图2所示。

图2 中频通道故障树

排查步骤如下：

(1)电源故障：四路通道通过电源滤波板分别供电，只有A路出现故障，其余B路、C路和D路工作正常，打开中频通道盖板，交换A路和D路供电电缆，故障现象不转移，因此排除电源故障。

(2)电缆故障： 打开盖板，断开A路滤波功分模块装机的射频输入、输出电缆，用调试电缆接到A路滤波功分模块输入、输出端，进行高温升温及保温约一个小时试验测试，升温时测试A路输出功率存在偶尔减小12dB情况，测试D路输出功率一直稳定正常，因此排除装机电缆故障。

(3)滤波功分模块故障：在升温过程中在40度左右时出现A路输出频谱偶尔不稳定跳动现象，功率减小12dB左右，后保温50度时工作稳定；D路输出一直稳定正常。因此确定A路滤波功分模块存在偶发故障情况。

通过上述检测，中频通道A路输出信号功率偶尔异常是由于A路滤波功分模块偶发故障引起。

■2.2 滤波功分模块故障检测

滤波功分模块电路图如图3所示。射频信号依次经过VGA可变增益放大器[2]、移相器、滤波器、两级定向耦合器后输出。VGA可变增益放大器和调节增益电位器组成VGA放大器单元，移相器和调节相位电位器组成移相器单元，两级定向耦合器和故障检测器组成定向耦合器单元。滤波功分模块信号流程图如图4所示。

图3 滤波功分模块电路图

图4 滤波功分模块信号流程图

滤波功分模块内部VGA放大器单元、移相器单元、滤波器和定向耦合器单元任何一级出现问题，皆有可能导致滤波功分模块出现故障现象，根据信号流程图采用逐级探测法进行分析排查。滤波功分模块故障树如图5所示。

图5 滤波功分模块故障树

在滤波功分模块射频输入端用信号源加入中频信号，进行了故障复现，故障复现时，通道增益降低12dB。用频谱仪逐级探测VGA放大器单元输出、移相器单元输出、滤波器输出和定向耦合器单元输出信号，观测哪一级输出增益存在异常。当测试VGA放大器单元输出增益时，发现VGA放大器单元增益降低，比正常值低12dB，与整个通道增益降低值一致；移相器单元、滤波器、定向耦合器单元增益正常。因此，定位VGA放大器单元故障，排除移相器单元、滤波器、定向耦合器单元异常。

■2.3 VGA放大器单元故障检测

VGA放大器单元由VGA可变增益放大器和可调增益电位器组成。VGA的增益由电位器调节控制电压调节，在此情况下测试了电位器输出控制电压为1.12V，该电压值比正常输出低，正常模块该电压为1.20V左右。

将故障电位器取下，焊接在正常滤波功分模块上进行测试，同样出现模块通道增益不稳定情况，问题复现。将故障模块的故障电位器进行更换，更换一只好的电位器，进行反复试验，未再出现增益降低现象。

通过上述试验分析，问题定位于VGA放大器单元的增益控制电位器故障。

为了确定电位器失效的具体原因，将失效的电位器寄往广州电子五所（赛宝分析中心）进行失效分析。电子五所对该电位器进行失效分析，分析报告显示：发生阻值跳变是因为电阻膜和电刷表面局部区域有异物粘附且异物C、O含量偏高，引起电刷接触不良，阻值跳变。

综上所述，由于中频通道滤波功分模块内部电位器故障导致接收机报故。

3 机理分析与改进措施

■3.1 机理分析

滤波功分模块内部VGA[3]放大器单元原理图如图6所示，VGA放大器的增益由电位器输出的电压进行调节，电位器[4]控制电压原理图如图7所示。当电位器输出电压VC（见公式1）减小时，VGA放大器增益即会随之减小。

图6 VGA放大器单元原理图

图7 电位器控制电压原理图

公式1：VC=(R2/(R1+R2))×VCC-IC×RS

其中，IC为VGA放大器控制端电流，RS为电位器接触电阻[5]，当电位器电刷与电阻基板接触不良或者压力不均匀时，会导致接触电阻RS变大，VC将随之减小，VGA放大器增益减小，与故障现象表现一致。

滤波功分模块内部电位器选用的是成都国盛3296W型多圈电位器，结构图如图8所示。当确定电位器故障后，将故障现象通报了电位器厂家，电位器厂家结合自身经验，初步得出的结论为：(a)可能是员工在组装过程中用力不当，导致电位器电刷受压变形，接触压力不均匀，使得产品在使用过程阻值不稳定。(b)可能是产品电刷上有氧化物，造成电刷滑动过程中与电阻基板接触不良，导致阻值不稳定。经过厂家品管判断，该不良产品系个别现象。

图8 电位器结构图

将失效的电位器寄往广州电子五所（赛宝分析中心）进行失效分析，根据电子五所分析报告反馈，发生阻值跳变是因为电阻膜和电刷表面局部区域有异物粘附且异物C、O含量偏高，引起电刷接触不良，阻值跳变。失效模式是含有C、O的物质在一定区域内堆积后导致电位器的阻值跳变。

在进行温度试验时，由于温度变化电位器的电刷可能会有轻微滑动，当电刷滑动到堆积处时，由于堆积处含有大量的C、O的物质，导致电刷接触不良，阻值产生跳变，影响电位器输出阻值的稳定性。

滤波功分模块生产厂家为中国电子科技集团公司第二十四研究所，所有交付产品均按详细规范进行筛选、考核，至今已经交付2000余只，同电位器使用4000余只（每个模块使用两只），共发现4只电位器失效。

对中频通道故障纠正如下：

（1）更换A路故障滤波功分模块，经过低温-40℃并保温2小时工作，高温50℃并保温2小时工作，中频通道组件一直稳定工作。

（2）接收机更换验收合格的中频通道组件。

■3.2 改进措施

由于电位器内部含有C、O的物质在一定区域内堆积，电阻膜和电刷表面局部区域有异物粘附，导致电刷与电阻基板接触不良，电位器的阻值发生跳变，造成中频通道工作不稳定，最终导致接收机报故。

在滤波功分模块的调试期间，可以用一字起将电位器的调节帽先顺时针旋转几圈，之后再逆时针旋转几圈，使异物能够滑动到电阻丝的缝隙中，不造成堆积，降低中频通道组件出现故障的概率，从而提升产品质量，节约排故时间，提高工作效率。

同理，涉及含有可调节增益的电位器或可调节相位的电位器组件时，也要充分考虑到由于电位器调节不到位，内部有异物堆积，导致电位器阻值发生跳变，造成组件工作不稳定的故障发生。

为避免相似问题的出现，在单位内部进行人员培训，要求今后在调试装有电位器的组件时，用一字起将电位器的调节帽分别顺时针和逆时针旋转几圈，使异物能够滑动到电阻丝的缝隙中，避免异物堆积导致电刷接触不良阻值跳变，确保电位器输出阻值稳定，组件工作正常。

4 结论

本文从雷达接收机组成出发，根据中频通道和滤波功分模块工作原理，依次对中频通道故障、滤波功分模块故障、VGA放大器单元故障进行检测，得出中频通道滤波功分模块内部电位器故障导致接收机报故。

对中频通道故障进行纠正，更换故障滤波功分模块，进行低温-40℃和高温50℃并保温2小时工作试验，中频通道组件一直稳定工作；接收机更换验收合格的中频通道组件。

针对电位器故障采取改进措施，用一字起将电位器的调节帽先顺时针旋转几圈，之后再逆时针旋转几圈，避免异物堆积在一起产生电位器阻值跳变，减少后续出现相似问题的可能，从而提升产品质量，缩短调试周期，提高工作效率。