速調管頻率特性導致的雷達回波偏弱故障診斷實例

趙 威，單寶玉，葉 勇

(1.新疆巴音郭楞蒙古自治州氣象局，庫爾勒 841000；2.中國人民解放軍69006部隊，烏魯木齊 830002；3.黑龍江省大氣探測技術保障中心，哈爾濱 150030)

0 引言

中國新一代天氣雷達布網逐漸完善，在短時臨近預報、局地強對流天氣預警、人工影響天氣和防災減災等方面發揮著不可替代的作用。與此同時，新一代天氣雷達技術保障工作的重要性也日益突顯，對保障人員診斷和處理雷達故障的時效性要求越來越高。及時歸納和總結雷達故障處理的方法、經驗，是提高雷達理論水平、維修實踐能力的重要途徑。雷達回波偏弱作為新一代天氣雷達比較典型的故障，國內相關研究領域有很多寶貴的技術經驗總結，但這些文章對由速調管自身工作特性導致的回波偏弱故障的分析少有涉及。文章討論的庫爾勒新一代天氣雷達(CINRAD/CC)回波偏弱故障處理包括信號流程的簡要介紹、相關分系統導致回波偏弱故障的分析和診斷，通過逐步測試、分析、排查，發現因速調管自身工作特性導致雷達回波嚴重偏弱的現象，并對其成因進行了理論分析[1-3]。

1 雷達信號流程

庫爾勒CINRAD/CC雷達于2015年4月更換了新速調管，經過1 a多的運行，預報員根據以往觀測經驗，發現庫爾勒站雷達回波強度明顯偏弱。因沒有嚴格意義上的對比環境條件，初步判斷偏弱在10 dB左右，回波強度的不準確嚴重影響了預報員對雷達回波的分析判斷及預報預警業務。

雷達回波偏弱故障涉及的雷達分系統較多，包括發射機、接收機、天饋分機和伺服分機，其信號包括兩路：一路是發射信號；一路是接收信號。兩路信號出現問題都可能造成回波偏弱故障。

2 故障分析和診斷思路

雷達回波偏弱故障主要從3個方面來分析：一是發射系統發射功率下降導致回波減弱；二是接收系統提供給發射機的激勵信號功率下降，及接收通道性能變差，增益下降引起的回波變弱；三是天饋系統損耗變大時未進行饋線參數修正補償引起的回波變弱。此外，天線俯仰標定誤差也可能導致回波偏弱。

2.1 發射系統

1)查看速調管功率是否下降。

CINRAD/CC雷達速調管正常使用壽命為8000 h，目前各臺站的使用通常能超過10，000 h。當速調管的使用時間超過8000 h，需定期對雷達發射機工作參數進行檢查測試，測試內容包括：

①用功率計測試雷達發射功率是否滿足≥250 kW要求；

②用示波器和磁環感應器測試速調管收集極的電流幅值是否滿足≥14 V的要求，通過波形判斷速調管是否老化，是否需做出相應的調整或更換；

③在速調管有老化跡象但不能馬上更換的情況下，查看人工線(PFN)、燈絲、固態激勵放大器等可調諧器件是否還存在可調諧的空間，調諧前后的各電位器位置一定要記住，一旦調諧到滿足指標，后期需密切關注速調管運行狀態。

2)查看發射脈沖信號是否產生寬度或嵌套位置的變化。

首先看發射窄脈沖寬度是否滿足0.9～1.1 μs的技術指標；其次看發射脈沖信號與收集極電流嵌套是否在最佳位置。經過長時間運行，由于溫度變化、設備老化等原因使激勵源分機中控制激勵信號的電位器電位產生漂移、失效，從而會導致發射脈沖信號的脈沖寬度和位置發生改變，導致速調管不能達到最佳的功率輸出。

3)查看發射脈沖的頻譜、改善因子是否滿足技術指標要求；查看固態激勵放大器輸出的激勵信號的功率幅值是否滿足技術指標要求。

2.2 接收系統

1)利用頻譜儀測試激勵源分機的激勵信號功率幅值是否≥27 dBm、改善因子是否≥52 dBm；

2)利用機外、機內噪聲源對接收系統噪聲系數進行標定，噪聲系數是接收通道輸入信噪比與輸出信噪比的比值，檢查噪聲系數是否異常，從而判斷設備前端工作狀態是否正常；

3)設置信號源、頻譜儀參數，實測接收機回波口至中頻輸出的通道增益是否滿足≥27 dBm的技術指標要求；

4)設置信號源參數，查看機外、機內特性曲線特征是否一致，DDS信號源接收動態范圍是否滿足≥85 dBm的技術指標要求。

此外，還要檢查接收系統的各種電纜連接是否正常。

2.3 天饋系統

天饋系統主要是查看天饋的損耗是否有變化。天饋系統的損耗在現場架設、調試后通常不會產生明顯變化，但部分旋轉關節會因長時間運轉產生磨損、變形、機械損壞而發生波導系統漏氣。天饋系統處于室外環境，溫濕因素還會造成波導內部受潮生銹，這些變化都會使饋線損耗增加，如果沒有進行相應的補償，就會導致回波減弱。主要從以下方面進行檢查：

1)檢查天饋系統的各型波導、旋轉關節是否存在漏氣的現象；

3)測量天饋系統收發支路損耗值，確認是否與雷達監控終端配置參數中的總損耗值一致。

2.4 天伺系統

檢查天線座是否水平、天線俯仰標定是否準確。天線水平超差、俯仰標定誤差都可能導致回波偏弱。

3 故障排查和處理過程

根據故障原因確定診斷思路，文章對故障涉及到的各分系統或分機進行逐一排查。

3.1 發射系統檢查

1)查看速調管工作狀態。該速調管高壓工作時間未超過8000 h，利用示波器查看磁環(電磁互感器)耦合出來的速調管收集極電流的幅值在15 V左右，且未出現明顯老化跡象，說明速調管目前狀態是正常的。

2)是檢查發射脈沖寬度。利用示波器檢波檢測發現雷達發射窄脈沖為0.87 μs，低于0.9～1.1 μs指標要求。通過調整激勵源分機時序控制盒中的R10電位器來調整IF激勵信號窄脈沖寬度，將窄脈沖寬度調至1.007 μs，通過調整時序控制盒中的R9電位器調整IF激勵信號時序(位置)，將IF激勵信號嵌套在中頻IF調制脈沖信號中，保證輸出效果最佳。

3)測試發射功率。對離速調管輸出端最近的定向耦合器發射耦合口進行測量，設置功率計中心工作頻率為5490 MHz，Offset為76 dB。其中耦合器耦合度為耦合器上臨時標注的52.5 dB，衰減器為20 dB，測試線纜損耗3.5 dB，共計76 dB。測試重頻600 Hz、900 Hz、1000 Hz下的發射機輸出功率，均為118 kW，無法滿足250 kW的技術指標要求。

4)分析發射機頻譜。利用頻譜儀查看發射機輸入、輸出端改善因子(速調管前后)，并與2016年春季巡檢的結果進行對比，由此可知故障在其他分系統中。

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3.2 天饋系統檢查

文章對天饋系統所涉及的波導、彎波導、波導旋轉關節進行檢查，并未發現漏氣和內部生銹現象。業務人員對該站雷達收發支路總損耗進行了測試，測量值為-14.6 dBm，考慮2根測試線纜的損耗6.8 dBm以及諧波濾波器1.56 dB的損耗，實際收發支路損耗為6.24 dB。雷達監控終端軟件配置菜單中饋線損耗參數為5.15 dB，將該參數現場修正為實際測試的6.24 dB。

對饋線損耗進行修正后，從雷達終端觀察雷達地物回波還是偏弱，說明故障點在接收系統。

3.3 接收系統檢查

首先對接收通道增益進行測試。用信號源從射頻接收分機回波口注入頻率為5490 MHz，功率為-40 dBm信號(此處已考慮測試線纜的損耗)，用頻譜儀在射頻接收分機中頻輸出口對60 MHz中頻信號進行測試，得出功率為-11.40 dBm，所以通道增益為：-11.4-(-40)=28.6 dBm。該測試值滿足≥27 dBm的技術指標要求，說明接收通道增益是正常的。

其次檢測激勵源發出的激勵信號改善因子和功率幅值是否滿足技術指標，實測結果見表1。

表1 激勵源出RF極限改善因子測試結果

表1中，實測改善因子遠小于52 dB，激勵信號測試值為-8.07 dBm，該值加上20 dB的衰減器和3.5 dB的測試線纜損耗，最后得出激勵源發出的信號功率幅值為14.93 dBm，14.93 dBm遠小于27 dBm的技術指標要求。因此，故障點在接收系統頻率源分機及其前端。

為確定故障點具體位置，先對激勵中頻調制出信號的功率幅值和S/N信號進行測試。實測中頻IF功率幅值為-2.91 dBm，激勵中頻調制出信號S/N信號值為75～76 dB。

上述兩項數值均滿足技術指標要求，說明激勵中頻部分沒有問題，故障點應該在射頻調制部分，可能是IF激勵信號時序(位置)偏移或RF射頻輸出出現故障導致。

3.4 測試用器件檢查

經過對發射系統、天饋系統、接收系統的檢查、測試和更換器件調整后，發現接收系統輸出的激勵信號的功率幅值17.98 dBm比正常指標幅值低10 dB左右，正常激勵信號功率幅值應該≥27 dBm。

重新對發射功率進行測試，發射功率在70 kW左右，用前后耦合口，雷達仍達不到正常指標，較功率放大模塊更換前的118 kW下降了近50 kW。

為了排查原因，業務人員利用信號源和頻譜儀對在測試功率中所使用到的定向耦合器、衰減器、測試線纜等器件損耗進行測試確認，發現衰減器耦合度雖然出廠標注為20 dB，但實際衰減度為29.98 dB，誤差近10 dB。該誤差嚴重影響故障的判斷和定位。補償該誤差后，激勵源輸出的激勵信號功率幅值滿足技術指標。

業務人員還利用信號源和頻譜儀對定向耦合器的耦合度進行了現場實測，發現定向耦合器上臨時標注的耦合度值52.5 dB是一個錯誤值，實測換算后的耦合度值為45.29 dB。

在確認了雷達激勵信號、雷達通道增益、雷達發射耦合口耦合度和衰減器均正常的前提下，再次進行發射功率測量。在功率計中重新設置耦合度Offset的值，同時在調整脈沖寬度后對功率計中占空比Duty進行重新設置，確保測量設置準確后，實測發射機功率依然很小，只有75 kW，該測量值遠小于250 kW的技術指標要求。

3.5 速調管工作特性導致故障及處理措施

經過上述排查，故障點定位到速調管。該速調管為中電科12所研制的VE1141A型C波段速調管，工作帶寬100 MHz，有5個工作頻點(5410 MHz、5430 MHz、5450 MHz、5470 MHz、5490 MHz)。通過人工設置接收機頻率源分機面板頻率，改變速調管的工作頻點。對不同頻點的發射功率輸出進行測量，得到該速調管在等激勵輸入情況下，工作頻率與輸出功率之間的關系，見表2和圖1。

表2 等激勵輸出功率實測與計算值

圖1 等激勵功率-頻率特性

從表2和圖1可以看出，該速調管最佳工作頻點是5470 MHz，輸出功率為82.20 dBm；而5490 MHz工作頻點，輸出功率為73.21 dBm，較其他工作頻點輸出功率下降8 dBm左右，是輸出功率最低的頻點。通過調整發射系統固態激勵放大器的電位器，查看5490 MHz工作頻點功率幅值無變化，無法進一步提高輸出功率。該速調管在工作頻點5490 MHz時的輸出功率增益無法達到其設計的技術指標要求。這種因速調管頻率特性而引起的某頻點功率不達標的現象在雷達維修實踐中較為罕見。

從理論上分析原因，按照速調管設計要求，其等激勵效率頻率特性應該是相對平坦的，但由于群聚段諧振腔外部Q值，頻率分布的微小差異和電子槍導流系數及輸出段阻抗特性的不重復性，經常會造成等激勵效率頻率特性的不平坦。

業務人員應該采取的措施是更換頻率特性不滿足要求的速調管或在速調管前端插入一個具有一定衰減特性的梳線帶通濾波器進行補償。但在維修現場臨時將該速調管工作頻率切換為5470 MHz。在5470 MHz頻率點上，測試發射機輸出功率滿足≥250 kW的技術指標；發射機輸出端改善因子為50.78 dB(1000 Hz)和51 dB(600 Hz)，均滿足大于49 dB的技術指標要求；觀察雷達地物回波強度已明顯增強，對比該站幾年前雷達地物回波，回波強度趨于一致。故障的根本原因已查明，通過臨時更換頻點暫時排除故障。

4 結束語

通過該故障的排查，了解到新一代天氣雷達回波偏弱是綜合性故障，該故障的診斷和排查涉及到雷達的多個子系統或分機。因此技術保障人員應充分熟知雷達各部分信號流程，熟悉故障可能涉及的各個部件的測試點的技術指標、測試方法，熟練使用各類測試設備。因速調管工作特性導致的雷達回波偏弱的故障現象較為罕見，這就要求保障人員不但能進行常規的測試維修和判斷，還能對特殊的故障現象進行分析處理。

在維修測試實踐中，定向耦合器、衰減器、測試線纜等器件的損耗要進行現場實測確認，以防因這些器件標識的不準確而導致誤判，從而影響故障處理進度。維修過程中還要仔細檢查同軸線纜的連接，防止因為同軸線纜老化導致接觸不良、接頭開裂、虛焊等情況發生，造成信號衰減。

在進行雷達臺站速調管更換時，技術保障部門應該對更換后的速調管工作狀態、頻率特性進行現場實測，確認速調管處于良好的工作狀態和頻率特性，以滿足技術指標要求。