航管Raytheon二次雷達發射機接口原理與維修案例剖析

王海軍

（中國民用航空湖北空管分局，湖北武漢430000）

航管Raytheon二次雷達發射機接口原理與維修案例剖析

王海軍

（中國民用航空湖北空管分局，湖北武漢430000）

航管二次雷達系統是實施民航空中交通管制的重要設備之一。隨著國內民航業的高速發展，上世紀90年代后期至新世紀初，全國范圍內陸續部署了幾十套加拿大Raytheon公司的航管二次雷達系統。自投入使用以來，該雷達系統以其優越的性能與穩定的雷達信號質量，為民航空管的飛行安全保障做出了巨大的貢獻。但隨著服務時間的增加，部分該型號雷達已服役超過其15年的設計壽命，發射機、接收機以及處理器等模塊逐漸老化而發生故障。本文選取了近期維修的發射機接口組件作為研究對象，通過在維修該接口組件過程中所掌握的知識，全面地闡述該組件的組成、工作原理及其維修方法。

航管二次雷達系統；Raytheon二次雷達；飛行安全保障；發射機接口組件

近年來，隨著我國民航事業的高速發展，航路和航班量逐年增加，空中飛行密度也相應地不斷加大。目前，在我國大部分的空中交通管制區域，均由早期的程序管制過渡到雷達管制方式。相比程序管制，航管雷達為管制員提供了更為迅速、準確、連續和豐富的目標信息。管制員對航管雷達的依賴性正與日俱增，隨著區域管制中心多雷達自動化系統的投入使用，雷達的重要性更進一步得到了體現。航管二次雷達是空中交通管制的重要組成部分，中國民用航空空中交通管理規則第一百九十八條已專門作出規定，航管二次雷達系統，特別是具有單脈沖技術及S模式和數據鏈能力的雷達監視系統，可作為主要雷達監視系統單獨使用[1]。

1 航管二次雷達的組成及其工作原理

與常規的雷達利用目標對雷達自身發射電磁波（射頻脈沖）的反射主動發現目標并且確定其位置的工作原理不同，航管二次雷達需要與機載應答機協同合作才能完成對目標的檢測。它是由地面的二次雷達設備（通常稱詢問機）通過天線的方向性波束輻射頻率為1 030 MHz的一組詢問編碼脈沖，當天線的波束指向裝有機載應答機的飛行器時，機載應答機接收到這組詢問信號，然后根據所詢問的內容自動發射回頻率為1 090 MHz的一組約定的回答編碼（射頻）脈沖。通過地面二次雷達設備的接收和檢測處理，最終完成對目標的定位[2]。航管二次雷達的工作原理如下圖1所示。

圖1 航管二次雷達工作原理

航管二次雷達給地面管制員所提供的飛機信息包括方位、距離、高度與識別碼，其中方位和距離由二次雷達根據天線波束指向角與應答信號的延時分別計算得到，而飛機的識別碼與海拔高度則包含在應答編碼脈沖內。當詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為8 μs時，此時雷達采用模式A進行詢問，所詢問的內容是飛機的識別碼；當詢問脈沖P1與P3的脈沖間隔為21 μs時，此時雷達采用模式C進行詢問，所詢問的是飛機的海拔高度。通常地面站的二次雷達設備都采用模式A和模式C兩者模式進行交替詢問，即同時獲得飛機的識別碼和高度碼。飛機的距離、方位、高度與識別碼這些信息通過網絡傳送至管制席位的大屏幕顯示器上，由地面管制員與飛行員通過語音通話，對各空域上的飛行器進行安全、高效的指揮協調調度管理。

2 Raytheon二次雷達發射機接口組件的組成與作用

Raytheon二次雷達詢問機主要由驅動模塊、低占空比功率放大器、發射機接口組件、三個完全一致的接收機模塊、接收機接口組件、電源模塊以及點跡錄取器等部分組成。發射機接口組件在詢問機中的主要作用是作為發射機、接收機與天線這三者的接口，詢問時使發射機與天線連通，接收應答時使天線與接收機連通。其內部結構如下圖2所示。

圖2 發射機接口組件內部結構示意圖

航管二次雷達詢問時輻射P1、P2和P3脈沖，其中決定詢問模式的P1和P3脈沖通過Σ（和）通道輻射出去，用于旁瓣抑制作用的P2脈沖則通過Ω（控制）通道輻射。因此，從低占空比功率放大器（發射機）送過來的1 030 MHz的P1、P2和P3射頻脈沖需要在發射機接口組件中進行分離，組件中的一個PIN二極管開關完成了這個功能。由圖2中可清晰地看到，射頻脈沖進來后，首先經過一個帶通濾波器進行帶外信號濾除，進而通過一個3端口的環路器。當有反射信號時反射信號將被環路器的假負載所吸收。詢問的射頻脈沖P1、P2和P3脈沖進入PIN二極管開關后將被分離出來，被分離的P1、P3射頻脈沖和P2射頻脈沖分別經過一個4端口環路器和一個4端口濾波監視器后被送到天線，分別通過天線的Σ波束與Ω波束輻射出去。

4端口環路器的假負載同樣用于吸收反射功率。在Σ通路與Ω通路上的4端口濾波監視器中，分別有一部分射頻功率耦合到一個射頻檢測模塊中，通過對Σ信號（P1和P3）與Ω信號（P2）進行視頻檢波。檢波后的視頻信號將被送到點跡錄取器進行監視。

接收時，天線的Σ波束，Ω波束與Δ波束同時接收到機載應答機的1 090 MHz的應答信號。分別經過濾波監視器與環路器后進入各自的接收機模塊。

此外，發射機接口組件中還有一個重要的功能模塊——自測試振蕩器。在點跡錄取器的模式產生器板的控制下，該自測試振蕩器在P3脈沖延時13μs時刻，產生一個脈寬為4 μs的1 090 MHz射頻調制脈沖。該射頻脈沖被三路功分器分成三路相等的幅度輸出（含有3 dB衰減），經過相應的濾波監視器和環路器注入三個接收機模塊中。用于詢問機在發射期間對接收機與錄取器進行實時狀態的在線監測。

綜上所述，發射機接口組件在詢問機中所起到的作用有以下三點：

（1）作為發射機、接收機與天線三者的接口，發射時使發射機與天線連通，接收時使接收機與天線連通。

（2）將P1、P2、P3脈沖分離出來，P1和P3脈沖通過Σ通路輻射，P2脈沖通過Ω通路輻射。

（3）產生自測試調制脈沖信號，用于實時監視三個接收機模塊與錄取器的工作狀態。

3 Raytheon二次雷達發射機接口組件維修案例分析

由上一節所介紹的Raytheon二次雷達發射機接口組件的組成與作用可以看出，當該接口組件發生故障時，一般有以下兩種情況：

（1）PIN二極管開關出現故障

出現此類故障時，P1、P2、P3脈沖將不能正常進行分離。兩種情況，當P1、P2、P3都通過Ω通路輻射時，詢問波束（Σ波束）將沒有P1和P3的詢問脈沖，雷達不能對空中的飛機進行有效詢問，即不能探測到飛機。當P1、P2、P3都通過Σ通路輻射時，控制波束（Ω波束）將沒有P2脈沖。根據航管二次雷達的工作原理，雷達沒有輻射P2脈沖將導致旁瓣抑制作用失效。此時雷達將產生大范圍的假目標，給地面管制員的正常指揮調度工作帶來極大的危害。PIN二極管開關電路結構簡單，主要由電阻、電容、二極管和三極管等分立元器件組成。在維修該電路時，簡單采用萬用表對板上的元器件進行靜態測量，基本能較快找到故障點并修復。PIN二極管開關模塊如下圖3所示。

圖3PIN二極管開關電路

圖3 中，射頻脈沖P1、P2、P3由J1口輸入，經過分離后分別由J2和J3口輸出。當PIN二極管開關電路出現故障時，由于濾波監視器檢測不到P1P3或P2脈沖，因此沒有相應的脈沖視頻信號送到點跡錄取器的Control and Bit板，此時雷達本地監控界面上的TX框將出現紅色告警。

（2）自測試振蕩器出現故障

發生此類故障時，雷達本地監控界面上將出現一系列告警。由于沒有4 μs的自測試脈沖，系統將提示三個接收機模塊和點跡錄取器各相關板件故障，詳細的告警信息列表中還會有Σ（和），Ω（控制）與Δ（差）3dB Low以及相位檢測等告警信息。自測試振蕩器模塊實物圖如下圖4所示。

圖4 自測試振蕩器實物圖

由圖4中可以看出，自測試振蕩器模塊主要由晶體振蕩器、開關二極管、三極管以及一些電阻電容組成。該模塊的4個引腳分別是供電±15 V、接地和4 μs脈沖輸入（4 μs的調制脈沖來自點跡錄取器）。4 μs的調制脈沖經過三極管的驅動放大后引接至電路中的4個開關二極管，將晶體振蕩器產生的1 090 MHz連續波振蕩信號進行導通截止，最終輸出4 μs的1 090 MHz射頻調制脈沖。在維修該模塊時，單用萬用表進行靜態測量，很難找到電路中的故障點。需要針對電路的特點，搭建一個簡單的維修測試環境，以確保快速準確地找到故障點。搭建維修測試環境需要的器材及其用途如下：

（1）直流穩壓電源，為自測試振蕩模塊提供±15 V直流電壓。

（2）脈沖信號產生器，用于產生4 μs的脈沖調制信號。

（3）示波器，用于測量電路中4 μs調制脈沖的波形與信號幅度。

（4）頻譜儀，用于測量各個測試點1 090 MHz的射頻信號強度。

（5）萬用表以及焊臺等維修工具。

自測試振蕩器維修測試環境如下圖5所示。

圖5 自測試振蕩器維修測試環境

自測試振蕩器維修測試環境搭建完成后，通過示波器與頻譜儀進行逐級測量，將好的模塊與故障的模塊進行各項指標的對比，很快能夠準確地找到電路中的故障元器件。更換故障的元器件后，即可修復該振蕩器模塊。

4 結束語

航管二次雷達屬于特種精密設備。在民用航空領域，由于航空飛行安全保障的高嚴要求，雷達設備模塊在具體的設計和工藝等方面均采用了較高的標準，尤其是Raytheon雷達。Raytheon雷達的這種高標準要求體現在電路上，即大部分的元器件都是工業級的產品，有些甚至是軍工級。這也為Raytheon雷達的故障件維修帶來了一定的難度。只有在熟練掌握設備的組成和工作原理的基礎上，結合設備在運行中出現的告警現象，針對模塊電路的設計特點，必要時搭建相應的維修測試環境，才能快速準確地將故障進行定位，從而修復故障模塊。

[1]張尉，徐炎祥.二次雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]杜文一.航管二次監視雷達[M].天津：中國民用航空學院印刷廠，2004.

Principle and Repair Analysis of ATC Raytheon SSR TX Interface

WANG Hai－jun
（Hu Bei ATM Branch of Civil Aviation Administration，Wuhan Hubei 430000，China）

Secondary surveillance radar system is one of the most important equipment for air traffic control.With the rapid development of domestic civil aviation industry，dozens of sets of raytheon SSR system which made in canada had been deployed throughout the country from the late 90s to the beginning of the new century.Since they were put into use，the radar systems have made a great contribution to the flight safety guarantee of the civil aviation ATC.However，as the increase of service time，part of the radar systems have been in service for more than 15 years of design life，the transmitter，receiver and processor have been gradually aging and failure.In this paper，the transmitter interface assy was selected as the research object，which was repaired recently.The components of the composition，working principle and maintenance method will be expounded through the master in the maintenance of the interface assy in the process of knowledge.

secondary surveillance radar system；raytheon secondary surveillance radar；safety for air traffic control；transmitter interface assy

V355.12

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0228-03

2017-02-04

王海軍（1977-），男，湖北當陽人，工程師，本科，研究方向：航管設備維護維修。