CINRAD/CC型雷达发射分系统故障分析与处理

安 宇， 姜方达, 张 瑜， 巩力源

(吉林省气象探测保障中心， 吉林 长春 130062)

0 引 言

CINRAD/CC型新一代天气雷达(简称CC雷达)是C波段全相参脉冲多普勒天气雷达，主要用于对台风、暴雨、冰雹和龙卷等灾害性天气实施有效的监督与预警[1-3]。随着我国新一代天气雷达布网日趋完善，新一代天气雷达在防灾减灾、短时临近预报等领域发挥着巨大作用，因此做好雷达维护，及时有效准确地排除雷达故障，保障雷达以良好的工作状态运行至关重要[4-7]。故障的发生多出现在伺服分系统、发射分系统、接收分系统[8-14]。目前，在发射分系统故障分析研究中，文献[15]提出针对速调管使用的不同时期，适当调整灯丝电流以保证雷达探测回波质量。文献[16-19]提出可通过调整发射分系统外围分机电路达到提高速调管发射能力的作用。文献[20-24]提出固态调制器故障主要有可控硅(Silicon Control Rectifier， SCR)故障、人工线，即脉冲形成网络(Pulse-forming Network， PFN)过压故障、散热故障等。文献[25]排查了发射分系统磁场电源的主电路、控制保护电路，给出关键测试点、波形和调试指标。文献[26-27]针对报高压故障进行分析研究,得出三相电源整流、回扫变压器、功率开关元件(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)三种故障原因。

通过对收集到的发射分系统故障资料分析和实际雷达工作中出现故障的维修和维护，总结了相应的处理方法。

1 发射分系统

1.1 功能与工作过程

CC雷达发射分系统由固态放大器、固态调制器(含脉冲变压器)、速调管功率放大器(含脉冲旁路器)、发射配电电路、发射监控分机等组成，其简化示意图如图1所示。

图1 CINRAD/CC雷达发射分系统简化示意图

CC雷达发射分系统主要实现峰值功率Ppeak≥250 kW射频电磁波的功放过程，其射频(Radio Frequency， RF)激励信号由接收机产生，最终由波导馈至天线，向空间辐射。

1.2 固态功率放大器

固态功率放大器简称固态放大器。它是CC雷达发射分系统放大链中的前级功放，由接收分系统激励源分机产生的脉宽为1 μs(或2 μs)，功率为0.5 W左右，载频频率为5 310～5 390 MHz(与低频段速调管配套)或5 410～5 490 MHz(与高频段速调管配套)的RF激励信号经射频连接器送至固态脉冲功率放大器模块进行功率放大，得到满足速调管激励要求的功率电平(1～5 W之间)。

1.3 固态调制器

CC雷达固态调制器是一种采用可控硅作为放电开关的软性开关调制器[28]，可通过对继电器的调节实现脉宽转换，主要包括变压器、均压电路、PFN等，PFN充放电过程如下：

1)充电阶段。充电触发脉冲控制在初级绕组中产生电流ip，初级绕组持续储能，次级绕组产生感应电流is，此时与PFN相连的二极管由于变压器对应端极性关系反偏截止，PFN放电截止开始由脉冲变压器向其充电；

2)放电阶段。放电触发脉冲控制下，初级绕组经持续储能达到饱和，即ip达到最大可承受限度电路断开，此时二极管与变压器对应端极性正向导通，PFN转换至放电过程。

1.4 速调管功率放大器

速调管是对RF激励信号进行放大的核心元件，也是CC雷达发射分系统的主要耗材之一。在发射分系统中，RF激励信号需进行两级功放:第一级是固态放大器将不足1 W的RF激励信号放大至1～5 W动态可调；第二级是将上级输出功率通过灯丝电源和磁场电源的辅助在速调管中放大至大于250 kW以上，若发射峰值功率不足,会严重影响气象探测准确性，可见速调管在CC雷达系统中所起的关键性作用。速调管通过中间谐振腔源源不断为注入电子提供射频能量,进而使电子加速获得能量，而电子正是由灯丝电源对速调管阴极灯丝进行加热产生。除谐振腔外，管内有漂移区对电子速度进行调制,使电子进一步获得加速度，在电子高速由阴极运动至收集极的过程中，部分电子可能产生不规则运动,导致运动方向不一致，这会导致电子聚焦性差，为了解决聚焦性差的问题，在速调管外附加磁场,由磁场电源供电来增强电子的聚焦性。经过多次上述速度调制和能量交换过程，穿过输出谐振腔已经完成能量交换任务的电子，陆续被收集极接收，电子注的剩余能量以热的形式耗散出去。

2 发射分系统故障处理

2.1 可控硅故障

在固态调制器中共有6块可控硅在均压电路下串联工作，当PFN正常工作时,每块可控硅处于降额工作，即使如此，每块仍分压1 kV以上，因此产生大量热量需要可控硅冷却风机进行散热，如果其中任意一块可控硅由于老化被击穿或阻值下降,都会导致故障产生。当可控硅故障发生时，我们首先检查冷却风机，排除是风机故障后,可锁定是可控硅出现问题，然后通过万用表kΩ档对6块可控硅阻值进行测量,如图2所示。

图2 可控硅阻值测量

图中，用表笔连接相邻可控硅散热片即可，正常数值在200～300之间，若测得数值较低,则可控硅损坏,需进行更换。

2.2 KLY温度异常、线包温度异常

在雷达速调管收集极、磁场线包装有一个温度继电器，该继电器正常时为常闭状态，当雷达速调管收集极、磁场线包的温度超过110 ℃时，该继电器断开，雷达发射机报KLY温度异常故障，发射机高压自动关闭。

首先检查速调管、磁场线包散热风机转动是否存在刮叶片现象，若电机不转,则判断电机烧坏，更换电机或整个风机;若正常转动,则检查风机转动方向是否正常，将雷达加冷却高压，若转动方向正常，风量非常大;若反转，风机风量小，达不到散热要求。然后将雷达发射机断电，变换电机供电电源任意两相之间的相序，使用三用表测温度继电器两焊点之间为常开状态，可确认是该温度继电器损坏,需进行更换。

2.3 电源故障

在发射分系统中有磁场、灯丝和回扫电源等。当回扫电源故障时，首先将发射机彻底断电检查高压变压器初、次级绕组的阻值，若数值正常,则检查与其相连的两个IGBT驱动模块，正常情况下,会出现幅度为20 V的方波，但在实际维修中,通常无法显示波形,说明IGBT模块损坏需及时更换；当磁场和灯丝电源报故障时，首先我们可以观察磁场和灯丝电流,如图3所示。

图3 灯丝电流与磁场电流

图中，灯丝额定电流应为7.5 A，磁场电流应为7.0～9.0 A，若电源出现问题,电流会有明显下降。此时，更换对应电源,即可恢复正常工作。

2.4 发射峰值功率低

发射峰值功率≥250 kW是CC雷达必须保证的重要性能指标。在雷达运行中，由各种原因导致发射峰值功率不足的现象经常发生，如RF激励信号功率不足，固态放大器与速调管两级功放能力差，调制脉冲波形不规整等。其中速调管功放能力弱,可通过适当增加磁场、灯丝电流增强，调整电流时应避免屏幕出现噪点[29]，调整后注意观察发射本控面板上管体电流表显示值不能大于总流表显示值的10%，过大的管体电流会导致管体击穿，损坏速调管[30]。首先需排除RF激励信号问题，使用示波器观察激励波形，速调管激励功率偏低，会因增益的限制使输出功率降低；激励功率偏高，也会因电子过群聚而降低管子输出功率,因此发射峰值功率偏低应从RF激励排查。首先需要排除RF激励信号问题，使用示波器观察激励波形，幅度3个格且顶降良好为标准激励，激励正常、偏高和偏低的波形如图4所示。

需调节监控分机可调电位器RP1调节脉冲、RP2调节时序，如图5所示。

(a) 激励正常 (b) 激励偏高 (c) 激励偏低

图5 监控分机电路板

在确定RF激励无问题后，需对调制脉冲进行检查，为了确保RF激励信号获得最优的放大效果，要求调制脉宽能更好地包裹RF激励信号，即具有良好的嵌套性，同样采用示波器进行观察，示波器双信道分表接入RF激励信号和调制信号，若方波恰好处于调制波形中央，则嵌套性很好，否则需要调节发射机内部时序电路，RF激励脉冲与阴极调制脉冲嵌套波形如图6所示。

(a) 标准嵌套 (b) 嵌套性差

3 结 语

以CC雷达发射分系统组成部分及其工作原理为依据，结合实际工作给出部分故障发生的原因、快速判断故障点的方法和故障解决方案。在发射分系统中，由固态放大器、调制器等造成的故障,绝大多数带来的后果最终都会表现为发射峰值功率的下降，进而影响观测质量，因此在发射分系统部分的技术保障能力、日常监控和维护能力都亟需提升。为处理发射分系统故障提供参考，希望在各台站雷达技术保障人员遇到此类问题时，能迅速反应并准确地找出故障发生部位，及时维修更换相关部件，尽早恢复雷达正常工作。