基于固态发射机的远程老练考机系统分析

陈洲 王十佳

作者简介：陈洲（1982— ），男，江苏南京人，工程师，本科；研究方向：雷达系统工程化设计。

摘要：随着固态器件的普及，固态发射机逐步在高功率微波发射领域全面替代真空管发射机。文章以固态发射机为研究对象，介绍了其系统组成和考机过程；分析了固态发射机在考机过程中的各类风险类型，并设计了针对这些风险的紧急故障处理方法。另外，文章以考机过程中涉及的考机指标为对象，介绍了一种用于考机风险识别的门限设计和计算方式，该方式可在避免虚警与有效保护之间得到平衡。以一台固态发射机为例，介绍了该固态发射机老练考机系统的设计使用方法。经验证，该方法可有效降低考机风险与人力成本，提高老练考机效率。

关键词：固态发射机；老练考机；自动测试系统

中图分类号：TP319中图分类号 文献标志码：文献标志码A

0 引言

随着固态功率放大器件的不断普及，如今越来越多发射机采用固态放大器作为主要放大单元，利用功率合成或逐级放大等方式代替落后的电子管与真空管放大器。目前，固态发射系统在投入使用前，需要经过指标测试及老练考机试验。性能指标测试存在项目多，测试时间长，数据量大等问题，但通过自动测试系统的建立已基本解决，而老练考机试验是固态放大器生产过程的重要环节，也是提高固态发射系统质量、减少故障率的重要手段之一，但老练考机试验的时间动辄几十小时、上百小时，考机过程中存在各种风险，考机环境恶劣，需要人员长时间值守，对人力资源造成严重浪费，因此，需要开发一款可以自动处理异常状况及告警的远程考机系统。

1 固态发射机组成与考机需求分析

固态发射机由电源、放大、激励、控制和输出组成，如图1所示。本文所述固态发射机既包括复杂系统中的固态发射子系统，也包括组成复杂固态发射机的组件。因此，一些组件和子系统可能不具备自激设备、电源系统和独立的控制系统［1］。

针对固态发射机系统组成，考机系统应该充分遍历各系统的功能。以激励系统为例，若激励为调频信号，则设备应采用扫频方式在可用频带内循环考机；若激励为调制信号，则设备应遍历所有工作比。需要指出的是，固态发射机的考机目标主要为设备中大功率输出的模块或子系统。若激励中包含相位编码功能，则该功能对设备中的固态发射部分——放大系统与电源系统来说，工作状态没有区别。如为简化考机系统，可在激励中去除该功能。总之，固态发射机考机系统应使固态发射机中的涉及固态发射输出的模块与器件在正常工作模式中可能出现工作状态下连续工作一定的时长。

2 考机风险分析

对固态发射机，尤其是处于研制状态和少量生产的固态發射机来说，其考机系统应充分考虑考机过程中的各类风险。如某些放大器件因为外围设备异常造成失效，引起功率合成端的功率失衡；如电源模块失效导致的系统内存在短路；如因设备内某部分存在温度过高造成的设备损坏等。对固态发射机来说，出现上述故障不仅会导致设备或考机系统的损坏，造成经济损失，还存在高压触电、爆炸和失火的风险。因此，选择设备工作状态异常的判据和设计紧急停机的异常处理功能对于固态发射机考机系统是非常必要的。

考机系统为避免人力浪费，应考虑自动告警与紧急故障处理。关于异常状态的判定将于本文3.2中进行讨论，而紧急故障处理方法可以分为切断激励法和断电法。

对于仅出现在放大系统内部，可以采用切断激励的方法，如图2所示。若设备为自激类型，应在自激模块后设置开关，考机系统可以通过控制该开关达到切断激励的目的。对于出现短路的故障，应采取切断电源的方法。对电源系统的切除既可以处在设备的电源系统与放大系统之间设置开关完成，也可以直接切断外部能源与电源系统直接的联系。对于一些低压大电流设备，可以考虑采用断路器与真空开关，对珍贵设备的保护还可采用选相的方法切断电流［2］。

3 考机指标测量与响应

3.1 考机指标

为了考机过程中的安全考虑，设置考机指标是非常必要的。例如设备的输入电流、输出功率的异常都可作为停止考机的判据。考机过程会遍历系统所有的工作状态，为了提高效率，也可以将系统的检验过程并入考机，在考机过程中对需要验收的指标进行记录。考机系统为保证系统的可靠性并减少虚警，应尽可能地合并相关指标、减少监测指标、减少硬件以确保系统的稳定性；应用考机指标作为风险措施的判据时，应设置多阶段、多门限以避免考机过程因一些小的扰动频繁断电、保护或重启。

通常，考机系统的开发与搭设应该同步于产品或者设备的研发。在确定特定考机对象的考机指标时，应充分参考设备的设计指标。所有的质量指标都应纳入考机指标内，如输出功率、功率因数、频谱质量、相位等。考机过程中这些数据的变化充分反映了产品的质量与特性，是后期质量分析的重要依据；早期批次的考机数据也有助于产品设备的设计改进和完善。考机指标中应包含必要的安全指标，如输入电流、一些关键位置如功率合成部件等的温度、除湿机和散热系统等保障系统的湿度温度等关键指标等。

3.2 指标监测

考机系统指标监测应采用高可靠性、可耐长时间工作的传感器，对安全指标监测的传感器应兼顾高采集率和准确率以避免虚警和漏报［3］。其中采集的模拟信号，或对应电子型号的传感器，考虑到传输过程中的损耗和干扰，应在考机平台就近设计MCU集中数据，与具有通信功能的仪表如功率计、频谱仪等通过GPIB、光纤等方式连接工控机，如图3所示。同时可通过光纤、无线等方式连接远程监控面板或上位机，达到远程考机监控的目的。

有些待考机设备具有高频、高压的特点，对传感器通信提出了特别要求。其中高频干扰会对数字通信有较大影响，而高压大电流设备尤其是瞬时大电流会将地线电势拉高，当考机平台与设备共地时通信会受到较大影响。当设计安全指标监测的传感器外围电路时，应考虑与设备地线分开，同时应采取一定的屏蔽措施，如设置铁盒、通线处采用磁珠屏蔽等。也可考虑在传感器就近处设计硬件电路完成门限监测，输出不易受到干扰的稳定高低电平代替模拟信号或数字信号，或可直接采用光纤通信避免通信干扰。

3.3 告警与故障数据处理

在考虑考机过程中异常处理设计时，通常通过对安全指标设置门限，当指标达到门限时，进行异常处理手段动作的方式。该方式对安全指标的监测传感器要求较高，同时单一安全指标数据的异常即会引起虚警，导致考机中断；一些异常处理手段为不可重复或破坏性动作，造成较大损失，可以采取欧式几何的方式［4］，将各指标合成。假设有指标a，b，c，d…，其中指标a的额定值为a1，上限为a2。将测量值做a=a-a1a2-a1的标幺化处理，同时所有指标都进行相同计算，最后，对所有指标l=a2+b2+c2+…做合成化处理。通过计算可知，任意指标达到门限时，l都将大于1，若此时将l值大于1设置为合成指标的门限，任意单指标达到门限或指标较大都会触发异常处理手段。若将l值门限设置稍大于1，将有效避免虚警。需要指出的是，这些指标也可以是非安全性指标。如指标f，g…为普通运行指标，首先通过上述标幺化处理后，可以通过对其加权l=a2+b2+c2+…+αf2+βg2+…做合成化处理。通过合理的指标权重与门限设置，可以使避免虚警与有效保护得到平衡。

在考虑考机过程中风险措施的判据时，加权指标相较于单指标更具优势。通常在安全事故发生的情境中，一些指标的轻微改变不会触发单指标的阈值，而这些轻微的指标偏离在多指标加权后会更加明显，因此可以更早地发现故障。为了消除虚警，可以同时采取两种指标。以加权指标设立一个相对严格阈值，该阈值触发后不会停止考机，而是会采取相对温和的措施，如提高采样率、增加采集指标如温度、限流等，如故障进一步发展并触发单指标阈值，再采取切断激励、断电等保护措施。从加权指标阈值触发到单指标阈值触发阶段的考机数据可以更好地表征故障发生初时设备的运行状况，且限流等措施也可以防止故障恶化。

4 考机案例分析

4.1 系统组成

选取一款典型的固态发射机进行验证，该发射机主要由冷却系统、功放系统、电源系统、分配合成系统组成，具备遥控开关机功能和BIT功能，可上报故障信号和功率指示信号，具有一定的保护功能。

考机系统主要由老练数据采集控制系统和自行开发的自动测试系统组成。数据采集控制系统主要包括温度采集模块、流量采集模块、开关机控制模块、电流采集模块、通信模块。自动测试系统主要有工控机极其控制软件、信号源、功率计、频谱仪、示波器等仪表设备组成，基于C#程序通过GBIP对仪表设备进行控制为发射机提供激励信号以及指标的测试。并通过485总线将数据采集控制系统的各项数据进行采集。通过CAN总线收集发射系统BIT信息，如图4所示。

4.2 考机风险与监测

在本案例中，考机风险主要有两个：4︰1功率合成器4个合成接口采用的硬连接，装配要求极高。考机老练过程中，存在打火的风险。由于打火情况出现在连接处内部，无法直接及时发现打火情况。但打火发生时一般伴随打火啸叫声、打火处温度快速升高等情况；采用水冷散热的固态发射机非常依赖外循环水的流量稳定，若出现外循环水供水流量减小导致发射组件中散热差时，对温度敏感的功率放大管寿命会大大减少甚至立即烧坏。

针对以上考机风险，须采集的指标包括合成器的4个合成口进行温度、冷却系统外循环水流量及温度、内循环水温度以及设备总电流。其中温度传感器采用铂电阻、流量采用涡轮传感器、电流采用电流钳采集。考机风险措施由三步组成：当考机风险指标触发阈值时，首先通过自动考机系统检测BIT功能识别危险类型，并通过设备的遥控开关机功能控制設备关机；若关机失败，则自动考机系统控制设备激励——信号发生器断开激励信号；若激励信号断开后指标仍恶化，则控制断路器工作，断开设备总电源。

4.3 安全指标门限设计

依据3.3所介绍方法，设计考机合成指标，首先，合成器口打火故障的特点主要为两个：合成器口温度的绝对值或相互之间的差值过大。依据该特点，4个合成器口温度分别记为a1、a2、a3、a4，计算出4个温度的平均值a-′=a1+a2+a3+a44和差值a′·=Max{|ai-aj||i，j=1，2，3，4}平均，依据设备特性，对其进行标幺化处理，计算出标幺化后的a-与a·。其次组件发热主要有两种特征，内循环水箱水温高和外循环水流量低，其中前者为结果后者为原因，两者相关且短时间内水温升高量不明显，内循环水箱水温记为b1，室温记为b2，外循环水流量记为d。设计指标b′=b2-b1d，对其标幺化后得到温度流量指标b。该指标可以有效地衡量水箱水温因外循环水流量降低所造成的温升。同时将水箱水温进行标幺化处理，记为b·1。设备总电流记为c，若其多次采样结果都超出阈值，则可排除干扰等因素，判定设备出现短路故障。计算连续三次电流采样的平均值c-′=Max{ci+ci-1+ci-23|i=1，2，3，4……}，并通过标幺化处理为c-。

综合上述指标，设计考机风险判据为l=a-2+a·2+b2+b·12+c-2，其阈值设置为1.1。当触发阈值后，考机系统将激活考机风险措施及光声报警并通过上位机呼叫人员处理。

另外根据端口打火时升温迅速的特点，采样得到某一时刻合成器1端口的温度加速度a1t=T1（t+1）－T1（t－1）9t2，其中t为温度采样周期，T为某一时刻合成器端口温度，当合成器端口出现打火时，其对应的温度加速度将出现短暂的连续上升，且远超其他3个合成器端口。将以上因素综合考虑，得出合成器端口1相较于其他3个合成器端口温度加速度的差值a-1（t）=a－a2（t）+a3（t）+a4（t）3。p=∑tt－9q，q=1，a1t＞0｜a1（t）＞00，其他，该式计算邻近的9个采样周期中合成器端口温度上升，且高于其余3个端口平均的个数，若p≥7，则判定该端口存在打火现象。通过端口的温度加速度可以快速及时地发现端口打火问题，避免大功率打火造成的损失。

4.4 上位機设计

除风险判断与处理外，考机平台上位机监测如图5所示，考机系统上位机还可对考机中的仪表设置、考机流程、考机指标等实时显示，并可远程更改仪表设置、遥控考机开关等。

5 结语

本文以固态发射机为研究对象，首先介绍了其系统的组成，分析了考机需求及考机风险类型，并介绍了几类处理固态发射机考机故障的方法，考机过程中指标的选取与监测方法以及通过考机指标判别考机风险的方法，并针对考机过程中存在的虚警与漏报问题，通过采用合成指标方法有效降低考机故障的虚警与漏报，在避免虚警与有效保护方面得到平衡。通过该方法实现考机系统的自动化、远程化，提高老练考机系统及设备的安全性、可靠性，改善老练考机的环境，减少人力资源的投入。本文通过一例工程实践，从系统组成、考机风险判别、安全门限指标选取到系统设计的流程介绍了该方案的使用方法和实用性。

参考文献

［1］王卫华，江元俊，贾中璐.固态雷达发射机的关键技术［J］.电子科学技术评论，2005（1）：27-33.

［2］刘北阳，李志兵，赵子瑞，等.高压断路器电磁类型操动机构的位移跟踪技术研究［J］.高压电器，2021（9）：9-18.

［3］黄寒砚，颜国欢.固态雷达发射机实验平台的构建与应用［J］.中国现代教育装备，2017（3）：1-3.

［4］贾波，刘福，雷正伟，等.自动测试系统计量策略及指标确立准则研究［J］.仪表技术，2010（7）：65-66，71.

（编辑 李春燕）

Abstract： With the popularity of solid-state devices， solid-state transmitters gradually replace vacuum tube transmitters in the field of high-power microwave transmission. This paper takes the solid-state transmitter as the research object，firstly， introduces its system composition and burn-in process， analyzes several risk types of the solid-state transmitter in burn-in process， and designs emergency fault treatment methods for these risks. Then this paper analyzes the selection and calculation methods of the burn-in indicators involved in the test proces.Threshold design and calculation method for burn-in riskidentification is introduced.This methodcan be balanced between avoiding false alarm and effective protection. Finally， taking a solid-state transmitter as an example， the design and application method ofthe solid-state transmitter burn-in system is introduced. It is proved that this method can effectively reduce the risk and labor cost of burn-in progress and improve the efficiency of brun-in system.

Key words： solid-state transmitter; proficiency test machine; automatic test system