中頻通道故障檢測與改進(jìn)措施

王媛，高俊姣

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京， 210039）

0 引言

接收機是雷達(dá)系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響雷達(dá)整體的探測性能。雷達(dá)接收機的主要任務(wù)是將天線接收到的微弱回波信號從噪聲中提取出來，經(jīng)過放大和濾波之后傳輸給信號處理等設(shè)備[1]。本文選用的雷達(dá)接收機主要由前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件組成。前端放大組件的作用是將天線接收到的微弱射頻回波信號進(jìn)行放大處理，之后送給高頻通道組件；高頻通道組件將放大的射頻回波信號與本振信號進(jìn)行混頻處理，下變頻為中頻信號送給中頻通道組件；中頻通道組件負(fù)責(zé)將高頻通道組件送來的中頻信號進(jìn)行濾波放大處理；最后送給中頻采樣進(jìn)行數(shù)字采樣。接收機工作時，出現(xiàn)A路報故現(xiàn)象。現(xiàn)場通過更換前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件進(jìn)行故障排查，最終定位中頻通道組件出現(xiàn)故障。

1 中頻通道工作原理

中頻通道工作原理框圖如圖1所示。

圖1 中頻通道工作原理框圖

中頻通道主要由4只濾波功分模塊、1塊電源濾波板及若干電纜組成，共有四路通道，分別為A路通道、B路通道、C路通道和D路通道，并且四路通道的輸入和輸出是相互獨立的。每路通道輸入信號經(jīng)過一只濾波功分模塊進(jìn)行濾波、放大和功分處理，輸出信號送給下一級中頻采樣組件進(jìn)行數(shù)字采樣；電源濾波板對接口電源進(jìn)行濾波，分為四路送給4只濾波功分模塊。

2 故障檢測

中頻通道故障件返回后，對故障進(jìn)一步定位。常溫時，該中頻通道組件工作正常，考慮到故障時天氣比較炎熱，故將中頻通道放入試驗箱進(jìn)行高溫試驗，分別對A路和D路輸出信號功率進(jìn)行比較測試。

■2.1 中頻通道故障檢測

根據(jù)中頻通道工作原理框圖得出中頻通道故障由電源故障、電纜故障和濾波功分模塊故障組成，列出中頻通道故障樹如圖2所示。

圖2 中頻通道故障樹

排查步驟如下：

(1)電源故障：四路通道通過電源濾波板分別供電，只有A路出現(xiàn)故障，其余B路、C路和D路工作正常，打開中頻通道蓋板，交換A路和D路供電電纜，故障現(xiàn)象不轉(zhuǎn)移，因此排除電源故障。

(2)電纜故障： 打開蓋板，斷開A路濾波功分模塊裝機的射頻輸入、輸出電纜，用調(diào)試電纜接到A路濾波功分模塊輸入、輸出端，進(jìn)行高溫升溫及保溫約一個小時試驗測試，升溫時測試A路輸出功率存在偶爾減小12dB情況，測試D路輸出功率一直穩(wěn)定正常，因此排除裝機電纜故障。

(3)濾波功分模塊故障：在升溫過程中在40度左右時出現(xiàn)A路輸出頻譜偶爾不穩(wěn)定跳動現(xiàn)象，功率減小12dB左右，后保溫50度時工作穩(wěn)定；D路輸出一直穩(wěn)定正常。因此確定A路濾波功分模塊存在偶發(fā)故障情況。

通過上述檢測，中頻通道A路輸出信號功率偶爾異常是由于A路濾波功分模塊偶發(fā)故障引起。

■2.2 濾波功分模塊故障檢測

濾波功分模塊電路圖如圖3所示。射頻信號依次經(jīng)過VGA可變增益放大器[2]、移相器、濾波器、兩級定向耦合器后輸出。VGA可變增益放大器和調(diào)節(jié)增益電位器組成VGA放大器單元，移相器和調(diào)節(jié)相位電位器組成移相器單元，兩級定向耦合器和故障檢測器組成定向耦合器單元。濾波功分模塊信號流程圖如圖4所示。

圖3 濾波功分模塊電路圖

圖4 濾波功分模塊信號流程圖

濾波功分模塊內(nèi)部VGA放大器單元、移相器單元、濾波器和定向耦合器單元任何一級出現(xiàn)問題，皆有可能導(dǎo)致濾波功分模塊出現(xiàn)故障現(xiàn)象，根據(jù)信號流程圖采用逐級探測法進(jìn)行分析排查。濾波功分模塊故障樹如圖5所示。

圖5 濾波功分模塊故障樹

在濾波功分模塊射頻輸入端用信號源加入中頻信號，進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)，故障復(fù)現(xiàn)時，通道增益降低12dB。用頻譜儀逐級探測VGA放大器單元輸出、移相器單元輸出、濾波器輸出和定向耦合器單元輸出信號，觀測哪一級輸出增益存在異常。當(dāng)測試VGA放大器單元輸出增益時，發(fā)現(xiàn)VGA放大器單元增益降低，比正常值低12dB，與整個通道增益降低值一致；移相器單元、濾波器、定向耦合器單元增益正常。因此，定位VGA放大器單元故障，排除移相器單元、濾波器、定向耦合器單元異常。

■2.3 VGA放大器單元故障檢測

VGA放大器單元由VGA可變增益放大器和可調(diào)增益電位器組成。VGA的增益由電位器調(diào)節(jié)控制電壓調(diào)節(jié)，在此情況下測試了電位器輸出控制電壓為1.12V，該電壓值比正常輸出低，正常模塊該電壓為1.20V左右。

將故障電位器取下，焊接在正常濾波功分模塊上進(jìn)行測試，同樣出現(xiàn)模塊通道增益不穩(wěn)定情況，問題復(fù)現(xiàn)。將故障模塊的故障電位器進(jìn)行更換，更換一只好的電位器，進(jìn)行反復(fù)試驗，未再出現(xiàn)增益降低現(xiàn)象。

通過上述試驗分析，問題定位于VGA放大器單元的增益控制電位器故障。

為了確定電位器失效的具體原因，將失效的電位器寄往廣州電子五所（賽寶分析中心）進(jìn)行失效分析。電子五所對該電位器進(jìn)行失效分析，分析報告顯示：發(fā)生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附且異物C、O含量偏高，引起電刷接觸不良，阻值跳變。

綜上所述，由于中頻通道濾波功分模塊內(nèi)部電位器故障導(dǎo)致接收機報故。

3 機理分析與改進(jìn)措施

■3.1 機理分析

濾波功分模塊內(nèi)部VGA[3]放大器單元原理圖如圖6所示，VGA放大器的增益由電位器輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，電位器[4]控制電壓原理圖如圖7所示。當(dāng)電位器輸出電壓VC（見公式1）減小時，VGA放大器增益即會隨之減小。

圖6 VGA放大器單元原理圖

圖7 電位器控制電壓原理圖

公式1：VC=(R2/(R1+R2))×VCC-IC×RS

其中，IC為VGA放大器控制端電流，RS為電位器接觸電阻[5]，當(dāng)電位器電刷與電阻基板接觸不良或者壓力不均勻時，會導(dǎo)致接觸電阻RS變大，VC將隨之減小，VGA放大器增益減小，與故障現(xiàn)象表現(xiàn)一致。

濾波功分模塊內(nèi)部電位器選用的是成都國盛3296W型多圈電位器，結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。當(dāng)確定電位器故障后，將故障現(xiàn)象通報了電位器廠家，電位器廠家結(jié)合自身經(jīng)驗，初步得出的結(jié)論為：(a)可能是員工在組裝過程中用力不當(dāng)，導(dǎo)致電位器電刷受壓變形，接觸壓力不均勻，使得產(chǎn)品在使用過程阻值不穩(wěn)定。(b)可能是產(chǎn)品電刷上有氧化物，造成電刷滑動過程中與電阻基板接觸不良，導(dǎo)致阻值不穩(wěn)定。經(jīng)過廠家品管判斷，該不良產(chǎn)品系個別現(xiàn)象。

圖8 電位器結(jié)構(gòu)圖

將失效的電位器寄往廣州電子五所（賽寶分析中心）進(jìn)行失效分析，根據(jù)電子五所分析報告反饋，發(fā)生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附且異物C、O含量偏高，引起電刷接觸不良，阻值跳變。失效模式是含有C、O的物質(zhì)在一定區(qū)域內(nèi)堆積后導(dǎo)致電位器的阻值跳變。

在進(jìn)行溫度試驗時，由于溫度變化電位器的電刷可能會有輕微滑動，當(dāng)電刷滑動到堆積處時，由于堆積處含有大量的C、O的物質(zhì)，導(dǎo)致電刷接觸不良，阻值產(chǎn)生跳變，影響電位器輸出阻值的穩(wěn)定性。

濾波功分模塊生產(chǎn)廠家為中國電子科技集團公司第二十四研究所，所有交付產(chǎn)品均按詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行篩選、考核，至今已經(jīng)交付2000余只，同電位器使用4000余只（每個模塊使用兩只），共發(fā)現(xiàn)4只電位器失效。

對中頻通道故障糾正如下：

（1）更換A路故障濾波功分模塊，經(jīng)過低溫-40℃并保溫2小時工作，高溫50℃并保溫2小時工作，中頻通道組件一直穩(wěn)定工作。

（2）接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

■3.2 改進(jìn)措施

由于電位器內(nèi)部含有C、O的物質(zhì)在一定區(qū)域內(nèi)堆積，電阻膜和電刷表面局部區(qū)域有異物粘附，導(dǎo)致電刷與電阻基板接觸不良，電位器的阻值發(fā)生跳變，造成中頻通道工作不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致接收機報故。

在濾波功分模塊的調(diào)試期間，可以用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽先順時針旋轉(zhuǎn)幾圈，之后再逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈，使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中，不造成堆積，降低中頻通道組件出現(xiàn)故障的概率，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約排故時間，提高工作效率。

同理，涉及含有可調(diào)節(jié)增益的電位器或可調(diào)節(jié)相位的電位器組件時，也要充分考慮到由于電位器調(diào)節(jié)不到位，內(nèi)部有異物堆積，導(dǎo)致電位器阻值發(fā)生跳變，造成組件工作不穩(wěn)定的故障發(fā)生。

為避免相似問題的出現(xiàn)，在單位內(nèi)部進(jìn)行人員培訓(xùn)，要求今后在調(diào)試裝有電位器的組件時，用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽分別順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈，使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中，避免異物堆積導(dǎo)致電刷接觸不良阻值跳變，確保電位器輸出阻值穩(wěn)定，組件工作正常。

4 結(jié)論

本文從雷達(dá)接收機組成出發(fā)，根據(jù)中頻通道和濾波功分模塊工作原理，依次對中頻通道故障、濾波功分模塊故障、VGA放大器單元故障進(jìn)行檢測，得出中頻通道濾波功分模塊內(nèi)部電位器故障導(dǎo)致接收機報故。

對中頻通道故障進(jìn)行糾正，更換故障濾波功分模塊，進(jìn)行低溫-40℃和高溫50℃并保溫2小時工作試驗，中頻通道組件一直穩(wěn)定工作；接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

針對電位器故障采取改進(jìn)措施，用一字起將電位器的調(diào)節(jié)帽先順時針旋轉(zhuǎn)幾圈，之后再逆時針旋轉(zhuǎn)幾圈，避免異物堆積在一起產(chǎn)生電位器阻值跳變，減少后續(xù)出現(xiàn)相似問題的可能，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，縮短調(diào)試周期，提高工作效率。