CINRAD/CD型天氣雷達發(fā)射機速調管故障診斷分析

羅 紅，陳 熹

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

都勻CINRAD/CD型天氣雷達自2005年1月正式投入業(yè)務運行以來，至今發(fā)射機運行總加高壓累計時間為47 425 h。2009年因速調管失效更換過1只，2只速調管加高壓運行時間已上萬小時，遠遠超過出廠標稱時間5 000 h。在近8 a的使用中，發(fā)射機總故障次數共15次，其中發(fā)射機調制器故障4次，掉高壓故障8次，速調管失效故障1次，發(fā)射功率偏低故障2次。速調管長期處于高溫高壓的工作環(huán)境，故障出現幾率較高，一旦出現故障將直接影響雷達探測信息的采集，導致影響天氣探測業(yè)務。通過多次對發(fā)射機速調管進行維護的經驗，根據雷達探測信息的變化，找出速調管故障具體的維修措施，為其他從事雷達故障排除的機務人員提供參考，更好的保障新一代天氣雷達正常業(yè)務運行，在減災防災中發(fā)揮更大的作用。

2 速調管工作原理

CINRAD/CD型天氣雷達發(fā)射機采用KC4082型永磁聚焦速調管，利用直線運動的電子注與微波場交換能量，輸出大功率微波信號 。它由6個主要部分組成:電子槍;射頻結構;永磁聚焦系統(tǒng);收集極;輸入輸出耦合裝置;鈦泵電源。其工作原理:從陰極發(fā)射出去的電子，經過電子槍的作用形成均勻速度和密度的電子注，饋入輸入腔激起高頻振蕩，在腔內的高頻電場環(huán)境下，實現電子速度調制，電子注進入無電場的漂移管，快電子趕上慢電子，形成群聚，實現電子密度調制，群聚電子穿過輸出腔激起感應電流，與高頻場進行能量交換，大部分轉換成熱能通過風機帶走，約35%的剩余電子轉換成動能打到收集極上，最終實現微波放大與振蕩，經波導送至天線，完成電磁波發(fā)射。

圖1 發(fā)射機高頻微波鏈路

3 速調管高頻微波鏈路特點

如圖1所示，速調管外圍電路分為:功放分機、燈絲偏磁分機、速調管、脈沖變壓器和鈦泵電源，這5部分組成速調管高頻微波鏈路電路。功放分機，將頻綜送來的約10dBW激勵信號經輸入衰減、固態(tài)放大、輸出衰減器、濾波調整輸出1.8W脈沖微波信號達到調管的最佳激勵狀態(tài);燈絲偏磁分機，提供燈絲電源、脈沖變壓器偏磁電源，同時提供冷卻風機缺相保護功能;脈沖變壓器，將調制器送來的低電壓、大電流調制脈沖經轉換成高電壓、小電流調制脈沖，提供給速調管陰極;速調管，作為發(fā)射機的末級功率放大器，將功放分機送來的2W脈沖微波信號放大至250 kW;鈦泵電源，確保速調管在工作中不會因為真空度不夠而影響正常工作和壽命，工作時為其提供鈦泵電源，同時對過大的鈦泵電流提供保護。

4 典型故障分析

4.1 速調管失效無回波故障

故障現象:體掃時無回波，重啟雷達仍無回波，高壓可加，天線正常轉動。

診斷分析:在觀察到無回波的情況下，首先判斷是接收機故障還是發(fā)射機故障。如檢查接收機各工作指示燈均正常，場放電流很小接近，標校檢查也正常，則判斷接收機正常，故障定位在發(fā)射機上。檢查發(fā)射機風冷系統(tǒng)正常，燈絲電流、電壓正常，鈦泵電源電流、電壓均合格，高壓、磁場1，2的電流、電壓是否正常，速調管KLY注電流正常為45～50 mA，出現問題時，比正常值偏低，如速調管KLY注電流為30 mA左右，此時同時測量高頻輸入的信號，用示波器可觀察到脈沖寬度約為10 us，輸入信號正常。高頻輸出的信號如圖2，通過速調管收集極耦合脈沖輸出波形脈寬＞1 us和幅度10 V(正常幅值14 V)，波峰結束時出現“凹槽”，“凹槽”達到整個脈沖幅度的1/2，約5 V左右時，發(fā)射脈沖高度明顯下降，接受機誤認為出現主副2個脈沖無法識別，所以發(fā)射功率、回波強度基本沒有，判斷故障出在速調管上。經過上述檢查速調管所有外部工作環(huán)境均正常，但速調管KLY注電流比較低，輸出脈沖波形幅度降低，再根據速調管使用的時間，在出現此類情況下，可斷定速調管老化失效了，應立即更換備件。

故障總結:燈絲、鈦泵、注電流、磁場電源等是速調管技術指標，在外部環(huán)境都正常的情況下，注電流、脈沖輸出波形和服役時間是判斷速調管失效的重要依據［1］。更換新管后，鈦泵電流往往偏高，應長時間開低壓對新管進行老練，使鈦泵電流降下來，待電流＜5 uA后，可開高壓工作。

4.2 掉高壓故障

故障現象:體掃時頻繁掉高壓，掉高壓后準加燈熄滅無回波，故障復位后，準加可加，高壓恢復，雷達可正常運行，運行一段時間多次掉高壓，復位又可恢復。

診斷分析:掉高壓后無任何報警出現，雷達體掃數據只有幾M(正常9層體掃數據為12 M)，PUP產品數據也就只有1 kB。出現此類故障時，應先從發(fā)射機開始排查，首先，檢查發(fā)射監(jiān)控分機面板是否有故障指示，其次，檢查調制柜底板上的保險絲有無燒壞的情況，可排除元器件損壞的可能;對各機柜除塵清潔處理，并更換發(fā)射機高頻柜散熱軸流風機，用溫度測試儀，多次測量的高頻柜內的溫度此時都超過40℃，而符合發(fā)射機本身溫度指標在0～40℃。說明機柜內溫度長時間過高，速調管無法穩(wěn)定的工作出現頻繁掉高壓現象。高頻柜內速調管高頻高壓高溫器件需要良好的通風散熱系統(tǒng)，如圖2所示出廠設計的散熱系統(tǒng)，速調管50dB增益特性，僅有30%經過天線以電磁波形式發(fā)射出去，剩余70%轉化成熱能主要通過冷卻風機帶走，機柜內其余器件熱量通過機柜頂和側面的軸流風機散熱，由于冷卻風機的風道呈“L”型，排出來的熱空氣需要拐彎才抵達出風口，阻滯了熱空氣順利排除，溫度過高軸流風機也不能及時排除熱量［3］。此時應在機房室內加設空調制冷，讓發(fā)射機溫度下降，并監(jiān)測機柜內的溫度，使之保持在40℃以下，拷機運行，確保故障不再出現。

故障總結:發(fā)射系統(tǒng)由于偶然的因素出現掉高壓現象，可復位后繼續(xù)工作，但是連續(xù)數次復位后開機掉高壓，應針對相應的故障進行分析、檢查。溫度往往是發(fā)射系統(tǒng)故障、隱患的重要參數，不可忽視。機柜溫度有效合理的控制，可保證速調管長期安全地使用和雷達整機穩(wěn)定運行。

圖2 速調管通風系統(tǒng)框圖(箭頭代表風道方向)

4.3 發(fā)射功率偏低，回波減弱故障

故障現象:探測到回波減弱，測量發(fā)射功率值偏低。

診斷分析:如發(fā)現探測到的回波信號明顯減弱，同時測量發(fā)射機峰值功率只有180 kW，通過調整可變衰減器勉強達到200 kW，并且功率的波動幅度也明顯大于前期，除此以外，雷達系統(tǒng)沒有其他故障報警指示，脈沖重復頻率等一系列指標也無異常，測量脈沖調制波形正常輸出，可以初步判斷故障出在全固態(tài)調制器的幾率不大。因為故障一旦發(fā)生在全固態(tài)調制器，加在速調管陰極的脈沖調制將出現紊亂或無法提供脈沖變壓器初級所需的40～45kV的脈沖高壓，從而導致脈沖重復頻率等指標出現異常，或者使速調管的輸出功率降得很低甚至沒有輸出，而不會像此現象，功率依然能穩(wěn)定在200 kW這樣一個“相對較高”的水平上。

綜上分析，故障發(fā)生在高頻放大鏈的幾率較高，所以故障檢測的重點應放在高頻放大鏈上，根據高頻放大鏈的信號流程，進行跟蹤檢測。高頻輸入信號來自頻綜，對射頻激勵信號進行測量，測得峰值功率為10 mW，脈沖寬度約為10μs，說明高頻輸入信號正常，高頻輸入信號經過功放進行初級放大，滿足速調管激勵輸入。用功率計測得激勵器實際輸出信號為1.1 W，可以判定故障出在功放上，測量功放上的GASMOSFET主放大器3A5輸出，輸出的驅動脈沖上升沿中部出現了一個“拐點”，導致脈沖寬度減小。因為上升沿出現了“拐點”，其占有的時間相對較多，導致脈寬減小，脈沖信號的占空比也隨之減小。無論是功率計還是雷達系統(tǒng)機內的功率參數顯示，都與占空比成正比例關系，占空比的減小必然會導致發(fā)射功率的下降。主放大器3A5輸出重新測量輸出波形，上升沿“拐點”消失，脈沖寬度正常，用功率計測得發(fā)射峰值功率為250 kW，拷機48 h，輸出功率穩(wěn)定，故障排除。

故障總結;調節(jié)可變衰減器，峰值功率以及發(fā)射脈沖包絡的波形都跟隨著改變，說明可變衰減器性能完好［4］;速調管放大器，一旦損壞，發(fā)射功率就會降得非常低甚至沒有輸出，所以此次出現的情況，肯定不會是由速調管引起的;保護組件，起監(jiān)測高頻電弧及高頻反射檢波包絡幅度的作用，如果超限，將立刻切斷高壓，而不會出現發(fā)射功率陡降但仍有部分輸出的情況。

5 小結

在新一代天氣雷發(fā)射機中，速調管作為高頻鏈路的末級放大器，需要掌握原理特點以及外圍電路設計特點，定期檢查速調管各項運行指標，控制環(huán)境溫度，提前消除故障隱患就能保證其良好的性能，并更好地延長各器件的使用壽命，減低故障發(fā)生率。

［1］李勇，黃丹萍，王靜.新一代天氣雷達發(fā)射機速調管失效判斷［J］.氣象科技，2010，38(3):344 －346.

［2］徐八林，劉黎平，張濤，等.CINRAD/CC雷達速調管運行狀態(tài)控制［J］.氣象，2006，37(3):373 －378.

［3］李培明.CINRAD/CC雷達冷卻故障個例分析［J］.氣象科技，2008，36(1):123 －124.

［4］吳少峰，胡東明，胡勝.一次CINRAD/SA雷達發(fā)射機功率偏低故障的分析及處理［J］.氣象，2009，35(10):108－112.