GFE(L)型二次測風雷達接收系統原理及常見故障處理

劉秋榮 李春娥

（1.新疆哈密地區氣象局，新疆 哈密 839000；2.新疆信息工程學校，新疆 烏魯木齊 830000）

0 概述

接收機是雷達系統的重要組成部分，其功能是通過預選濾波、放大、變頻、濾波、解調等方法最大限度獲得有用回波信號，同時濾除無用信號，將目標反射或散射回的微弱射頻信號變成有足夠幅度的視頻或數字信號，用以滿足信號處理的要求。GFE(L)型二次測風雷達是中國氣象局新一代高空氣象探測雷達，其接收系統采用了單通道、單脈沖二次雷達工作體制,它與數字探空儀相配合，將回答器回答的微弱射頻信號放大成有足夠幅度的視頻信號，送至測角、測距、天控、數字終端等系統，用以解調有用信號和實現測距、測角的自動跟蹤以及對雷達的控制。所以，接收系統性能的穩定，直接影響雷達其它系統的正常工作以及探測的精度[1]。

新疆區2006年完成安裝并投入業務運行的有十四部。多年的業務運行表明，該雷達工作狀態良好，探測精度較原來710型雷達相比有較大提高。但是，接收和天控系統的故障率較高，影響了探測的精度及數據的完整，本文重點從雷達接收系統的結構及工作原理入手，分析可能產生故障的原因以及對其它系統的影響，找出解決問題的辦法。

1 GFE(L)型二次測風雷達接收機的各部分功能及基本原理

1.1 GFE(L)型二次測風雷達接收機的各部分功能及技術指標

GFE(L)型二次測風雷達接收系統由前、后端兩部分組成，前端由前置低噪聲放大器、限幅器、環流器、射頻濾波器、射頻放大器、變頻器、前中放大器等組成，安置在室外和差箱和天線座內，完成射頻的預選、放大、變頻和穩定射頻及前中放大器增益等功能；后端由中頻通道盒、探空單元11-1板組成，安置在室內主控箱中，完成放大、檢波、鑒頻、AGC控制、AFC控制等功能。中頻通道盒和探空單元將得到的30MHz中頻信號經變換后送至測距、測角、數據終端、天控、自檢/譯碼等系統，其組成框圖如圖1所示，該框圖顯示了GFE(L)型二次測風雷達接收系統的工作原理和各種功能[2]。

GFE(L)型二次測風雷達的工作頻率為1675±6MHz，是目前氣象部門二次測風雷達的主要工作頻段，工作在這個頻段具有作用距離遠、外部噪聲低、天線尺寸小、角分辨率高等特點。其主要技術指標：

工作頻率：1675±6MHz

本振頻率：1645±6MHz

靈敏度：≤-107dBm

帶寬：2.7MHz

總增益：≥110dB

AGC控制能力：≥70dB

AFC跟蹤范圍：±4MHz

圖1 GFE(L)型二次測風雷達接收系統框圖

1.2 GFE(L)型二次測風雷達接收機的基本原理

GFE(L)型二次測風雷達接收系統由前端和后端兩部分組成，功能是將天線所接收到的探空儀射頻信號加以放大、變頻、解調送到測距、天控分系統以完成測距和跟蹤應答器的功能。此外還將探空儀發回的探空碼解調出來，送到數據處理終端得到溫、壓、濕數據。同時還在測距分系統送來的主抑觸發脈沖的控制下，完成主波抑制功能以消除發射主波和近地物回波對AGC、AFC功能的影響。實現了角度自動跟蹤、自動測距、自動數據處理、近距離抓球與近距離測距。主要分電路原理分述如下：

1.2.1 前置高放

前置高放為低噪聲場效應管放大器，常用于接收系統的前端，對天線信號進行放大，并有效的提高接收系統的靈敏度。GFE(L)型二次測風雷達前置高放使用ATF10136低噪聲場效應管放大器，具有低噪聲、較低反射系數和良好的穩定性。在4GHz時噪聲僅為0.5dB，增益約為13dB，輸出功率最高可達20dBm。設置前置高放的目的是為了減小饋線損耗對雷達遠距離跟蹤的影響。

1.2.2 高頻組件

高頻組件由高頻帶通濾波器、射頻放大器、本振、混頻器、前中放大器以及射頻、前中增益和頻率控制器組成。高頻帶通濾波器采用腔體機械濾波器，腔體濾波器為頻率可調的帶通濾波器。腔體機械濾波器由諧振腔、調諧螺釘等組成，通過調諧螺釘改變諧振頻率實現可調的濾波特性。其作用是濾除工作頻率以外的其他干擾，包括對鏡像信號的抑制。濾波器的電氣性能通常用回波損耗、插入損耗、帶外抑制等特性來描述，濾波器的插入損耗越小，回波損耗越大，系統的匹配特性越好；帶外抑制越高，系統對帶外干擾的抑制越大。在機械特性上，要求濾波器的體積小、重量輕并具有穩定的溫度、時間、電平特性。

本振為三點式振蕩器，頻率的調整由變容二極管來實現，振蕩輸出的信號經一定的功率推動后送到混頻器。本振信號還耦合出一部分信號送到分頻器，分頻后的25kHz左右的方波信號送入主控箱中的終端板，終端板對其計數再乘以分頻數后在雷達控制界面上顯示出來。一般來說中頻放大器和濾波器的頻率是相對穩定的，但在實際工作中，由于發射機磁控管振蕩器和接收機的本機振蕩器的頻率穩定度不高，當外界條件變化時，只要其中一個頻率發生了變化，混頻后得到的實際中頻就會與額定中頻有偏差，造成接收機靈敏度及增益都會下降，嚴重時甚至看不到回波信號。為了防止這種情況在該電路中采用了自動頻率控制（AFC）電路，AFC控制范圍±4MHz。

混頻器將雷達接收到的1675±6MHz信號與本機振蕩器產生的1645±6MHz信號通過下變頻后變換成30MHz的中頻信號，再經中頻放大器放大濾波。由于雷達觀測時目標遠近的變化，會產生信號強弱的變化，為防止由于強信號引起的接收機過載，補償接收機增益的不穩定，要求對接收機的增益可進行調節，信號強時，接收機工作在低增益狀態，當信號弱時，接收機工作在高增益狀態。從圖1中看出，GFE(L)型二次測風雷達在射頻、中頻放大器中設置了增益控制電路，其AGC控制能力≥70dB，保證了增益的穩定性及測高精度。

1.2.3 中頻通道盒和探空通道單元

前中輸出的30MHz信號送至室內主控箱中的中頻通道盒，經三級單片放大，再經功分器分成兩路，一路送至測距，同時對此信號檢波、放大得到AGC電壓，分別送到射頻和前中放大，完成自動增益控制功能。另一路為角支路，經放大、鑒頻，得到鑒頻電壓送至高頻組件中的本振，完成自動頻率控制。

2 GFE(L)型二次測風雷達接收機典型故障分析與處理

雷達接收機的工作性能與其他系統密切相關，往往接收機的故障，會表現在其它系統，是維修人員難以判斷或者走彎路，下面根據接收機原理就一些典型故障進行分析[3-4]。

2.1 增益幅度不夠，接收機靈敏度下降，雷達工作到后期時，探空碼飛碼增多

該故障的特點是，初始放球探空碼飛碼少甚至無飛碼，工作到后期探空碼飛碼逐漸增多，如圖2-b所示，但是雷達自初始放球到工作結束，數據接收、測距、測角自動跟蹤正常。

圖2 探空碼正常和非正常數據圖

結合接收機放大器和增益控制原理分析可知，引起該故障的因素很多。探空儀、前置高放、高頻組件、隔離器、限幅器、環流器工作狀態不好，接收通路中信號線纜、高頻接插件接觸不良引起信號的衰減，外部及地物干擾等都可能引起探空飛碼多。

排除方法對無測試手段的臺站來說，一般只能采用替換法。用不同批次探空儀作放球實驗和用雷達炮瞄鏡觀察低仰角時是否由于地物干擾造成，首先排除探空儀、地物干擾因素。然后檢查、擦洗、緊固接收通道信號線纜插頭，高頻接插件等。再對前置高放、高頻組件、中放單元進行更換。在無果的情況下，可提高中頻放大器增益進行解決。這種方法費時、費力，且需有大量的備件予以支持。

對于有經驗和具備測試手段的維修工作者，可用網絡分析儀或射頻分析儀對接收通路的信號線纜逐段進行測試，從測試駐波比分析其線纜、高頻接插件接觸是否良好，一般駐波比應≤1.4左右。用信號源、頻譜儀分別檢查前置高放，高頻組件、接收系統的增益及靈敏度等，測試結果應符合前置高放、高頻組件、接收系統規定的增益及靈敏度指標，通過測試可以直觀的找出故障部位。

通過測試判斷，該故障是由于中頻放大器元器件老化等造成增益幅度、靈敏度下降所致，需對中頻放大器部分器件進行微調整，調整步驟是將原中放電路中C26電容由原來30P增大到100P，提高中放對信號的放大能力和靈敏度，同時也應檢查、調整探空通道板R66、R26對地電壓分別為-0.4V、6.0V左右，經過以上調整，探空飛碼問題得以解決。

2.2 前置高放增益下降，信號線纜接觸不良等，不能工作到球炸

前置高放增益下降，信號線纜接觸不良是頻發的故障現象，前置高放增益下降或信號線纜接觸不良時不僅起不到對小信號的放大作用，反而造成信號的衰減。明顯的特點是在探空儀不工作情況下數據終端顯示增益讀數在120-125之間，這種情況下放球到40分鐘左右，四條亮線發虛，增益飽和，信號消失。

臺站依然通過更換前置高放和檢查清潔保養緊固信號線纜插頭及高頻接插件等解決。長期工作經驗表明，前置高放增益≤7dB時（正常時應≥13dB）、前置高放輸入線纜插頭（SMA）脫落、WT9線纜接觸不良或芯線短路時會產生該故障。

當然，高頻組件、中頻放大盒出現故障時，也會造成增益下降，但是這種情況發生時增益飽和，茅草幅度低，雷達無法正常工作。其原因是雷達在長期工作中，前置高放工作性能下降，天線運轉過程中會產生抖動，加之新疆冬、夏季溫差較大，處在室外的線纜和高頻接插件由于熱脹冷縮而產生形變，造成室外的線纜插頭和高頻接插件松動或氧化接觸不好，造成信號的衰減。因此，要加強日常的維護保養。

3 結束語

本文結合GFE(L)型二次測風雷達接收機原理，討論了因接收機靈敏度和增益下降兩類故障現象以及解決方法，這兩類故障似乎有相同之處即增益幅度下降，但仔細分析是有區別的。第一類故障是由于器件變性而引起的軟性故障，檢查、發現解決問題的難度較大。當然造成探空飛碼多的因素很多，其表現形式又有區別，在解決問題時，對具體情況要作具體分析。第二類故障比較直觀，易于發現解決。從解決兩類故障現象中認知到，隨著氣象探測設備的現代化、電子產品的高科技化和復雜化，計算機硬件、軟件及信息綜合處理的快速化，這些特點在現代雷達技術中的應用非常突出，熟知雷達各系統原理是分析解決問題的基礎，少走彎路以達到快速、準確隔離故障，以便快速維修，達到降低雷達修復時間的目的。

［1］戈穩.雷達接收機技術,雷達技術叢書[M].北京:電子工業出版社,2005:1-5.

［2］李祥.某L波段二次測風雷達天線裝置結構總體設計[C]//第九屆全國雷達學術年會論文集.2012.

［3］吳月友.GFE（L）1型二次測風雷達故障及維修[J].安徽農業科學,2013,41(1):235-237.

［4］龍智明,肖方榮,李爭凱,段文靜.GFE(L)1型二次測風雷達典型故障分析與維修[J].貴州氣象,2014,38(5):35-37.