新一代天氣雷達發射功率降低的分析與處理

吳昌叨 劉光普 任 雍

新一代天氣雷達發射功率降低的分析與處理

吳昌叨 劉光普 任 雍

福建省大氣探測技術保障中心

發射機是CINRAD/SA天氣雷達的重要組成部分，結構復雜且長期處于連續高壓的工作狀態，是天氣雷達故障率較高的分機系統。針對福州新一代天氣雷達發生的一次發射機功率降低、回波強度明顯降低等現象，結合信號流程與電路原理，深入分析故障原因。最終發現，開關組件中檢測反饋控制D4芯片損壞，導致輸出異常，從而引起發射功率下降。該文詳細闡述了故障的檢測、分析、定位及處理過程，總結了相關的雷達維護經驗，以期為雷達技術保障人員提供參考和借鑒。

天氣雷達 發射機功率 開關組件 反饋控制D4芯片

根據福建省新一代天氣雷達的故障統計，在雷達技術保障過程中，發射機故障所占比例最高，發射機故障會對雷達觀測的連續性及天氣預警時效性造成較為嚴重的直接影響。對此，周紅根等[1-3]對CINRAD/SA雷達日常維護及故障診斷方法進行了歸納總結；潘新民等[4-8]進一步對CINRAD/SA雷達發射機系統的典型案例進行了診斷分析，并對檢修技巧進行了歸納總結。本文主要以2016年福州新一代天氣雷達發生功率降低的故障維修為實例，從發射機的信號流程和關鍵測試點入手，深入分析，逐步縮小故障范圍，實現對故障源的精確定位，最后對故障原因進行詳細分析，發現開關組件中檢測反饋控制D4芯片損壞，導致其輸出值異常，從而引起發射功率下降。

1 故障現象

2016年3月29日18時06分，福州雷達在正常運行中突然發射機功率由原來的657kW降至312kW，天線功率由398kW下降至198kW，報警信息為“ANTENNA PEAK POWER LOW”（發射機天線功率降低）和“TRANSMITTER PEAK POWER LOW”（發射機功率降低）。同時發現雷達回波強度下降，發射機的人工線電壓只有2.3kV，調整控制旋鈕后，人工線電壓無變化。

2 采用逐級排除法對故障進行定位

根據報警信息和故障現象，并結合發射機系統工作原理可知，發射機放大鏈中的某一級故障導致激勵不達標、燈絲電壓偏低和全固態調制器中的充電開關組件故障、觸發器電路異常或人工線充電電壓較低或速調管性能降低等因素，都是有可能造成發射機功率偏低的原因。

（1）將發射機控制面板的本地控制按鈕選擇為“本控、手動”，啟動雷達離線測試平臺RDASOT程序，選擇頻率為322Hz的窄脈沖進行信號測試。用示波器BNC電纜接上7dB的固定衰減器來測試發射機的輸出包絡與束脈沖取樣信號，示波器顯示有完整的脈沖波形（見圖1），從其波形上看，脈寬和幅度都正常, 在時間上發射機的輸出包絡也是和速調管陰極的束脈沖同步，說明高頻激勵器、脈沖形成器與束調管組件沒問題。接著將功率計通過30dB的固定衰減器接至可變衰減器輸出端上，測得其輸出功率為1.2W，低于本站速調管的參考值2W，將其調整到2W，再測量發射機的輸出功率，發現其并沒有發生太大的變化，說明并不是由可變衰減器引起的速調管輸入激勵偏低。用示波器測量燈絲中間變壓器輸出（在發射機中門油箱接口組件里的E2、E3端口）信號，無需加高壓（因為在油箱組件前端），調整示波器旋鈕直至顯示波形如圖2所示，燈絲電壓和頻率正常，說明燈絲電源與燈絲中間變壓器工作正常。以上測試檢查說明，問題不是發生在發射機的高頻放大鏈部件上。

圖1 發射機包絡和束脈沖

圖2 燈絲逆變電壓

（2）由發射機工作原理推導，燈絲電源下級的模塊是燈絲中間變壓器、高壓脈沖變壓器、燈絲變壓器、充電變壓器和全固態調制器。一般情況下，變壓器損壞、燒毀的幾率比較小，除非是變壓器里面的繞阻因為受熱熔化了漆包線等原因造成短路。而福州雷達在工作中，高壓脈沖變壓器、燈絲變壓器、充電變壓器全部浸泡在油箱中，油箱具有良好的循環散熱系統，變壓器油具有良好的介電強度(不小于20kV／2.5ram)，同時現場也沒有濃烈的燒焦氣味，因此基本上也可以排除變壓器燒毀的可能性。用萬用表測量后面板插頭A10XP1-3處，有直流510V的電壓，說明整流組件和電容組件能夠將交流的380V變成直流的510V直流電。根據以上判斷分析，確定最后的問題發生在開關組件和調制組件中。

（3）用示波器測量開關組件（14所生產），Zp10接地，除Zp1測量無需加高壓外，其余端口測試均需加高壓。用示波器測量Zp1的輸出（充電觸發信號）波形如圖3，其幅值為15.2V、寬度為10μs，說明充電觸發信號正常；測量Zp2的輸出（充電觸發脈沖信號）波形如圖4，其脈沖幅值為840mV,說明觸發脈沖選擇信號和EXB841驅動信號正常；加高壓測量Zp3、Zp4的輸出（充電電流、電壓取樣信號）波形如圖5所示，其波形幅度和脈寬都符合技術指標要求，這說明高壓充電沒問題；加高壓測量Zp5的輸出（人工線充電電壓取樣）波形見圖6，發現其輸出波形前沿出現階梯狀不是正常的方波形狀且脈沖幅度只有3.04V（正常值是5V）偏低；同時測量調制器的人工線電壓輸出波形如圖7，發現其電壓只有2.3kV，比正常值（4.4kV）低了很多，此時測量發射機峰值功率只有315kW。調節圖8中發射機控制面板上人工線電壓滑阻RP3，發現人工線電壓沒有變化，測量其阻值和電壓均正常，說明滑阻正常。綜合以上測量波形和人工線電壓，表明是開關組件的某個元件老化造成功率降低。

圖3 Zp1充電觸發信號

圖4 Zp2充電觸發脈沖信號

圖5 Zp3、Zp4（充電電流、電壓取樣信號）

圖6 Zp5人工線充電電壓取樣

圖7 5A12調制器的人工線電壓

圖8 人工線電壓調節滑阻RP3

3 故障處理

充電開關組件與充電變壓器組成回掃充電路給調制組件中的人工線充電，由于頻繁的充放電過程，容易發生故障，此組件故障后在發射機面板上一般不會有報警信息。對于此故障的處理方法采取以下措施：先檢查+20V電源是否正常；然后檢測3A10的 ZP1、ZP2，若輸出正常，則重點檢查3A10A1的監測電路部分。

根據雷達系統發出的寬/窄脈沖命令，圖9中N5和N6分別產生對應的賦能脈沖，并經N19、N21分別推動充電開關組件的充電開關管V1、V2。反饋控制中的N10/N11比較器分別用于調制寬/窄脈沖，它們分別將賦能電流作用于對應的寬/窄脈沖，通過調節位于測量接口板3A1A2的基準電平調節電位器，改變寬/窄脈沖的人工線充電電壓幅度。根據故障現象檢測反饋控制單元中的D4-CD4098BF芯片，發現其輸入正常而沒有輸出，判斷該芯片有問題，從而導致充電電流取樣的參考電平不準確。而反饋控制單位作為一個鎖相環結構，主要功能是調整充電電壓的平衡，使其輸出保持在正常的水平，控制面板上的人工線滑阻控制反饋的門限值。而現在該門限不起作用，導致開關組件電壓只有2.3kV，不能達到4.4kV的正常值，所以輸出功率較低并且無法調整至正常值。更換反饋控制D4-CD4098BF芯片后，重新開機人工線電壓可調，調節人工線電壓至4.4kV，測試速調管輸入信號功率及波形均正常，測試發射機包絡脈寬和幅度也正常，發射機功率保持在670kW。連續拷機48h后，雷達無任何異常，該故障徹底排除。

圖9 充電開關組件組成框圖

4 結論

CINRAD/SA雷達是集軟件、硬件于一體的高精度現代化設備，發射機是雷達故障的“高發區”，故障類型主要發生在高頻、高壓、電源、控保等方面，相對而言，高壓部分故障率較高，低壓電源部分相對較低。

在雷達的保障工作中，要求技術保障人員熟練掌握其技術性能、指標和信號流程，并對故障現象及監控報警信息進行綜合分析；同時根據信號流程通過測試關鍵點波形、電壓、電流等參數，逐級排查，對于提高排除故障效率有很好的作用。

[1]周紅根,王凌震,范叢勇,等. CINRAD/SA雷達的日常維護方法[J].氣象科學，2006(2):223-227.

[2] 潘新民,柴秀梅,申安喜.新一代天氣雷達（CINRAD/SB）技術特點和維護、維修方法[M]. 北京:氣象出版社,2009.

[3] 潘新民, 湯志亞, 柴秀梅, 等CINRAD-SA/SB發射機故障定位方法[J] .氣象與環境科學, 2010, 33(1):78 -85.

[4] 潘新民, 王全周, 崔炳儉, 等CINRAD-SA/SB型新一代天氣雷達故障快速定位方法[ J] .氣象與環境科學, 2013, 36(1):71 -75.

[5] 王志武,林忠南.早期CINRAD/SB型雷達故障綜合分析[J].氣象科技,2012, 40(2):165-169.

[6] 吳少峰,胡東明,黎德波,等.CINRAD/SA雷達開關組件故障分析處理[J].氣象科技，2009，37(3):353-355.

[7] 吳少峰,項頌翔,胡東明,等.CINRAD/SA發射機典型故障分析處理[J].氣象科技，2012，40（3）:358-362.

[8] 胡東明,郭在華,程元慧,等.CINRAD/SA雷達發射機調制器故障的分析處理[J].成都信息工程學院學報,2010,25(2): 138-141.