CINRAD/CC型雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)故障分析與處理

安 宇， 姜方達(dá), 張 瑜， 鞏力源

(吉林省氣象探測(cè)保障中心， 吉林 長春 130062)

0 引 言

CINRAD/CC型新一代天氣雷達(dá)(簡(jiǎn)稱CC雷達(dá))是C波段全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)，主要用于對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、冰雹和龍卷等災(zāi)害性天氣實(shí)施有效的監(jiān)督與預(yù)警[1-3]。隨著我國新一代天氣雷達(dá)布網(wǎng)日趨完善，新一代天氣雷達(dá)在防災(zāi)減災(zāi)、短時(shí)臨近預(yù)報(bào)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，因此做好雷達(dá)維護(hù)，及時(shí)有效準(zhǔn)確地排除雷達(dá)故障，保障雷達(dá)以良好的工作狀態(tài)運(yùn)行至關(guān)重要[4-7]。故障的發(fā)生多出現(xiàn)在伺服分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)[8-14]。目前，在發(fā)射分系統(tǒng)故障分析研究中，文獻(xiàn)[15]提出針對(duì)速調(diào)管使用的不同時(shí)期，適當(dāng)調(diào)整燈絲電流以保證雷達(dá)探測(cè)回波質(zhì)量。文獻(xiàn)[16-19]提出可通過調(diào)整發(fā)射分系統(tǒng)外圍分機(jī)電路達(dá)到提高速調(diào)管發(fā)射能力的作用。文獻(xiàn)[20-24]提出固態(tài)調(diào)制器故障主要有可控硅(Silicon Control Rectifier， SCR)故障、人工線，即脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(Pulse-forming Network， PFN)過壓故障、散熱故障等。文獻(xiàn)[25]排查了發(fā)射分系統(tǒng)磁場(chǎng)電源的主電路、控制保護(hù)電路，給出關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)、波形和調(diào)試指標(biāo)。文獻(xiàn)[26-27]針對(duì)報(bào)高壓故障進(jìn)行分析研究,得出三相電源整流、回掃變壓器、功率開關(guān)元件(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)三種故障原因。

通過對(duì)收集到的發(fā)射分系統(tǒng)故障資料分析和實(shí)際雷達(dá)工作中出現(xiàn)故障的維修和維護(hù)，總結(jié)了相應(yīng)的處理方法。

1 發(fā)射分系統(tǒng)

1.1 功能與工作過程

CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)由固態(tài)放大器、固態(tài)調(diào)制器(含脈沖變壓器)、速調(diào)管功率放大器(含脈沖旁路器)、發(fā)射配電電路、發(fā)射監(jiān)控分機(jī)等組成，其簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。

圖1 CINRAD/CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖

CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)峰值功率Ppeak≥250 kW射頻電磁波的功放過程，其射頻(Radio Frequency， RF)激勵(lì)信號(hào)由接收機(jī)產(chǎn)生，最終由波導(dǎo)饋至天線，向空間輻射。

1.2 固態(tài)功率放大器

固態(tài)功率放大器簡(jiǎn)稱固態(tài)放大器。它是CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)放大鏈中的前級(jí)功放，由接收分系統(tǒng)激勵(lì)源分機(jī)產(chǎn)生的脈寬為1 μs(或2 μs)，功率為0.5 W左右，載頻頻率為5 310～5 390 MHz(與低頻段速調(diào)管配套)或5 410～5 490 MHz(與高頻段速調(diào)管配套)的RF激勵(lì)信號(hào)經(jīng)射頻連接器送至固態(tài)脈沖功率放大器模塊進(jìn)行功率放大，得到滿足速調(diào)管激勵(lì)要求的功率電平(1～5 W之間)。

1.3 固態(tài)調(diào)制器

CC雷達(dá)固態(tài)調(diào)制器是一種采用可控硅作為放電開關(guān)的軟性開關(guān)調(diào)制器[28]，可通過對(duì)繼電器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)脈寬轉(zhuǎn)換，主要包括變壓器、均壓電路、PFN等，PFN充放電過程如下：

1)充電階段。充電觸發(fā)脈沖控制在初級(jí)繞組中產(chǎn)生電流ip，初級(jí)繞組持續(xù)儲(chǔ)能，次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流is，此時(shí)與PFN相連的二極管由于變壓器對(duì)應(yīng)端極性關(guān)系反偏截止，PFN放電截止開始由脈沖變壓器向其充電；

2)放電階段。放電觸發(fā)脈沖控制下，初級(jí)繞組經(jīng)持續(xù)儲(chǔ)能達(dá)到飽和，即ip達(dá)到最大可承受限度電路斷開，此時(shí)二極管與變壓器對(duì)應(yīng)端極性正向?qū)ǎ琍FN轉(zhuǎn)換至放電過程。

1.4 速調(diào)管功率放大器

速調(diào)管是對(duì)RF激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大的核心元件，也是CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)的主要耗材之一。在發(fā)射分系統(tǒng)中，RF激勵(lì)信號(hào)需進(jìn)行兩級(jí)功放:第一級(jí)是固態(tài)放大器將不足1 W的RF激勵(lì)信號(hào)放大至1～5 W動(dòng)態(tài)可調(diào)；第二級(jí)是將上級(jí)輸出功率通過燈絲電源和磁場(chǎng)電源的輔助在速調(diào)管中放大至大于250 kW以上，若發(fā)射峰值功率不足,會(huì)嚴(yán)重影響氣象探測(cè)準(zhǔn)確性，可見速調(diào)管在CC雷達(dá)系統(tǒng)中所起的關(guān)鍵性作用。速調(diào)管通過中間諧振腔源源不斷為注入電子提供射頻能量,進(jìn)而使電子加速獲得能量，而電子正是由燈絲電源對(duì)速調(diào)管陰極燈絲進(jìn)行加熱產(chǎn)生。除諧振腔外，管內(nèi)有漂移區(qū)對(duì)電子速度進(jìn)行調(diào)制,使電子進(jìn)一步獲得加速度，在電子高速由陰極運(yùn)動(dòng)至收集極的過程中，部分電子可能產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向不一致，這會(huì)導(dǎo)致電子聚焦性差，為了解決聚焦性差的問題，在速調(diào)管外附加磁場(chǎng),由磁場(chǎng)電源供電來增強(qiáng)電子的聚焦性。經(jīng)過多次上述速度調(diào)制和能量交換過程，穿過輸出諧振腔已經(jīng)完成能量交換任務(wù)的電子，陸續(xù)被收集極接收，電子注的剩余能量以熱的形式耗散出去。

2 發(fā)射分系統(tǒng)故障處理

2.1 可控硅故障

在固態(tài)調(diào)制器中共有6塊可控硅在均壓電路下串聯(lián)工作，當(dāng)PFN正常工作時(shí),每塊可控硅處于降額工作，即使如此，每塊仍分壓1 kV以上，因此產(chǎn)生大量熱量需要可控硅冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，如果其中任意一塊可控硅由于老化被擊穿或阻值下降,都會(huì)導(dǎo)致故障產(chǎn)生。當(dāng)可控硅故障發(fā)生時(shí)，我們首先檢查冷卻風(fēng)機(jī)，排除是風(fēng)機(jī)故障后,可鎖定是可控硅出現(xiàn)問題，然后通過萬用表kΩ檔對(duì)6塊可控硅阻值進(jìn)行測(cè)量,如圖2所示。

圖2 可控硅阻值測(cè)量

圖中，用表筆連接相鄰可控硅散熱片即可，正常數(shù)值在200～300之間，若測(cè)得數(shù)值較低,則可控硅損壞,需進(jìn)行更換。

2.2 KLY溫度異常、線包溫度異常

在雷達(dá)速調(diào)管收集極、磁場(chǎng)線包裝有一個(gè)溫度繼電器，該繼電器正常時(shí)為常閉狀態(tài)，當(dāng)雷達(dá)速調(diào)管收集極、磁場(chǎng)線包的溫度超過110 ℃時(shí)，該繼電器斷開，雷達(dá)發(fā)射機(jī)報(bào)KLY溫度異常故障，發(fā)射機(jī)高壓自動(dòng)關(guān)閉。

首先檢查速調(diào)管、磁場(chǎng)線包散熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否存在刮葉片現(xiàn)象，若電機(jī)不轉(zhuǎn),則判斷電機(jī)燒壞，更換電機(jī)或整個(gè)風(fēng)機(jī);若正常轉(zhuǎn)動(dòng),則檢查風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否正常，將雷達(dá)加冷卻高壓，若轉(zhuǎn)動(dòng)方向正常，風(fēng)量非常大;若反轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量小，達(dá)不到散熱要求。然后將雷達(dá)發(fā)射機(jī)斷電，變換電機(jī)供電電源任意兩相之間的相序，使用三用表測(cè)溫度繼電器兩焊點(diǎn)之間為常開狀態(tài)，可確認(rèn)是該溫度繼電器損壞,需進(jìn)行更換。

2.3 電源故障

在發(fā)射分系統(tǒng)中有磁場(chǎng)、燈絲和回掃電源等。當(dāng)回掃電源故障時(shí)，首先將發(fā)射機(jī)徹底斷電檢查高壓變壓器初、次級(jí)繞組的阻值，若數(shù)值正常,則檢查與其相連的兩個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，正常情況下,會(huì)出現(xiàn)幅度為20 V的方波，但在實(shí)際維修中,通常無法顯示波形,說明IGBT模塊損壞需及時(shí)更換；當(dāng)磁場(chǎng)和燈絲電源報(bào)故障時(shí)，首先我們可以觀察磁場(chǎng)和燈絲電流,如圖3所示。

圖3 燈絲電流與磁場(chǎng)電流

圖中，燈絲額定電流應(yīng)為7.5 A，磁場(chǎng)電流應(yīng)為7.0～9.0 A，若電源出現(xiàn)問題,電流會(huì)有明顯下降。此時(shí)，更換對(duì)應(yīng)電源,即可恢復(fù)正常工作。

2.4 發(fā)射峰值功率低

發(fā)射峰值功率≥250 kW是CC雷達(dá)必須保證的重要性能指標(biāo)。在雷達(dá)運(yùn)行中，由各種原因?qū)е掳l(fā)射峰值功率不足的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，如RF激勵(lì)信號(hào)功率不足，固態(tài)放大器與速調(diào)管兩級(jí)功放能力差，調(diào)制脈沖波形不規(guī)整等。其中速調(diào)管功放能力弱,可通過適當(dāng)增加磁場(chǎng)、燈絲電流增強(qiáng)，調(diào)整電流時(shí)應(yīng)避免屏幕出現(xiàn)噪點(diǎn)[29]，調(diào)整后注意觀察發(fā)射本控面板上管體電流表顯示值不能大于總流表顯示值的10%，過大的管體電流會(huì)導(dǎo)致管體擊穿，損壞速調(diào)管[30]。首先需排除RF激勵(lì)信號(hào)問題，使用示波器觀察激勵(lì)波形，速調(diào)管激勵(lì)功率偏低，會(huì)因增益的限制使輸出功率降低；激勵(lì)功率偏高，也會(huì)因電子過群聚而降低管子輸出功率,因此發(fā)射峰值功率偏低應(yīng)從RF激勵(lì)排查。首先需要排除RF激勵(lì)信號(hào)問題，使用示波器觀察激勵(lì)波形，幅度3個(gè)格且頂降良好為標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)，激勵(lì)正常、偏高和偏低的波形如圖4所示。

需調(diào)節(jié)監(jiān)控分機(jī)可調(diào)電位器RP1調(diào)節(jié)脈沖、RP2調(diào)節(jié)時(shí)序，如圖5所示。

(a) 激勵(lì)正常 (b) 激勵(lì)偏高 (c) 激勵(lì)偏低

圖5 監(jiān)控分機(jī)電路板

在確定RF激勵(lì)無問題后，需對(duì)調(diào)制脈沖進(jìn)行檢查，為了確保RF激勵(lì)信號(hào)獲得最優(yōu)的放大效果，要求調(diào)制脈寬能更好地包裹RF激勵(lì)信號(hào)，即具有良好的嵌套性，同樣采用示波器進(jìn)行觀察，示波器雙信道分表接入RF激勵(lì)信號(hào)和調(diào)制信號(hào)，若方波恰好處于調(diào)制波形中央，則嵌套性很好，否則需要調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)內(nèi)部時(shí)序電路，RF激勵(lì)脈沖與陰極調(diào)制脈沖嵌套波形如圖6所示。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)嵌套 (b) 嵌套性差

3 結(jié) 語

以CC雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)組成部分及其工作原理為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際工作給出部分故障發(fā)生的原因、快速判斷故障點(diǎn)的方法和故障解決方案。在發(fā)射分系統(tǒng)中，由固態(tài)放大器、調(diào)制器等造成的故障,絕大多數(shù)帶來的后果最終都會(huì)表現(xiàn)為發(fā)射峰值功率的下降，進(jìn)而影響觀測(cè)質(zhì)量，因此在發(fā)射分系統(tǒng)部分的技術(shù)保障能力、日常監(jiān)控和維護(hù)能力都亟需提升。為處理發(fā)射分系統(tǒng)故障提供參考，希望在各臺(tái)站雷達(dá)技術(shù)保障人員遇到此類問題時(shí)，能迅速反應(yīng)并準(zhǔn)確地找出故障發(fā)生部位，及時(shí)維修更換相關(guān)部件，盡早恢復(fù)雷達(dá)正常工作。