引言

广州CINRAD/SA雷达2001年4月通过现场验收后投入业务运行，7年来累计运行时间达58000多小时，其中发射机速调管累计加高压时间超过50000小时，运行时间已经远远超过标称寿命，通过性能检测发现系统开始出现老化现象。尤其是发射机系统，因长期处于高压强电的工作环境，故障率偏高。王志武等^[1]就CINRAD/SB发射机柜打火而引起调制器烧毁的故障现象进行了详细分析，并对如何防止发射机高压频繁打火提出了建议；杨传凤等^[2]通过对发射机高压故障的诊断分析，总结出开关组件的抗干扰能力弱会导致无人工线电压、发射机功率自检无法通过等现象；马建华等^[3]从原理入手，分析了多种发射机故障，并提出了合理的解决方法和注意事项；黄秀韶等^[4]对CINRAD/SA发射机功率不稳定的原因和故障检测方法做了分析总结，提供了现场维修方面的经验。本文主要通过发射功率偏低的现象，从发射机的组成框图着手，深入分析，逐渐缩小故障范围，实现故障源的精确定位，最后对故障原因进行了详细分析，发现高频脉冲形成器的损坏导致脉冲宽度变小，脉冲信号的占空比也随之减小，从而引起发射功率的下降。

1 故障现象

在2008年3月之前一段较长的时间里，广州雷达发射机系统处于一个相对稳定的状态，发射机峰值功率保持在700kW左右，符合国家气象局大气探测中心不低于650kW的要求。3月15日，发射机峰值功率突然从原来的700kW掉到600kW左右，通过调整可变衰减器勉强达到630kW后再也调不上去，并且功率的波动幅度也明显大于前期，除此以外，雷达系统没有其他故障报警指示，脉冲重复频率等一系列指标也无异常。

2 发射机原理简介

新一代多普勒天气雷达采用的是主振放大式速调管发射机，除高功率速调管外, 其余的组成部分为全固态电路。高频激励器、高频脉冲形成器、变衰减器、速调管放大器、电弧/反射保护组件，构成了发射机的核心部分——高频放大链^[5]。发射机结构的简要框图如图 1所示。

3 故障分析

根据雷达工作原理, 结合发射机框图，高频放大链和全固态调制器是整个发射机系统中最主要，也是最重要的两大部分，一般出现发射功率不稳定甚至没有功率输出的情况，这两个部分的元器件发生故障的可能性比较大^{[2, 6]}。

3.1 高频放大链的故障分析

高频放大链是发射机的核心部分^{[7, 9]}，主要的信号流程是：高频输入信号的峰值功率约10mW，脉冲宽度约10μs，经高频激励器放大，输出峰值功率大于48W，用于驱动高频脉冲形成器3A5。3A5对来自3A4的高频输入信号进行调制整形，输出功率、波形和频谱宽度均符合要求的高频脉冲，经可变衰减器3AT1调节，使高频脉冲峰值功率达到最佳值(约7.5W)，馈给速调管放大器。经速调管50dB增益后，输出峰值功率不低于650kW的高频脉冲。电弧/反射保护器，监测速调管输出窗的高频电弧，并接收来自馈线系统的高频反射检波包络，若发现高频电弧或高频反射检波包络幅度超过95mV，立即向监控电路报警，切断高压。

高频放大链是初始小信号到大功率发射信号形成的惟一通路，如果链路中某一部件出现故障, 必将影响速调管放大器的正常工作，从而影响发射功率的最终输出^[8]。

3.2 全固态调制器的故障分析

全固态调制器是发射机的重要组成部分^[9]，主要信号流程是：整流组件3A2、电容组件3A9对三相380V交流电进行整流、滤波，将其转化为510V的直流电输出给充电开关组件3A10。3A10接收到充电信号后，通过充电变压器3A7T2为调制组件3A12的人工线充电。充电结束后，人工线电压达到某一精确的设定值(42~48kV)。当人工线收到触发器3A11的放电触发信号立刻放电，经高压脉冲变压器3A7T1升压，在它的次级输出60~65kV的束电压脉冲，加在速调管收集极与阴极之间，为速调管工作提供电压和能量。

从作用方面来说，全固态调制器主要负责产生符合要求的负极性调制脉冲，对速调管进行脉冲调节。如果调制器中某一环节出现问题，人工线将无法完成正常充放电，速调管无法获取正常工作所需的电压和能量，就会造成发射机无功率输出。

3.3 综合分析

结合实际故障现象分析，可以初步判断：故障出在全固态调制器的几率不大。因为故障一旦发生在全固态调制器，加在速调管阴极的脉冲调制将出现紊乱或无法提供脉冲变压器初级所需的2400~2750V的脉冲高压，从而导致脉冲重复频率等指标出现异常，或者使速调管的输出功率降得很低甚至没有输出，而不会像此次现象，功率依然能稳定在630kW这样一个“相对较高”的水平上。

4 故障隔离和定位

由上述分析可知，故障发生在高频放大链的几率较高，所以故障检测的重点应放在高频放大链上，根据高频放大链的信号流程，进行跟踪检测、故障隔离。

4.1 高频输入信号的检测

高频输入信号来自频率源J1口的RFDRIVE(射频激励信号)，该信号频率为2.7~3.0GHz(广州雷达站的发射频率为2.885GHz)，通过电缆直接馈入高频激励器，作为射频载波。拧开电缆与J1的接口，对射频激励信号进行测量，测得峰值功率为10mW，脉冲宽度约为10μs，说明高频输入信号正常。

4.2 高频激励器的检测

高频输入信号经激励器内部的MMIC放大器以及PH2731-20M、PH2731-75L功放管进行放大，用于驱动高频脉冲形成器。用功率计测得激励器实际输出信号为48W，示波器测得输出波形如图 2，输出的驱动脉冲波形几乎完美，再结合输出功率可以判定，高频激励器性能良好。

4.3 高频脉冲形成器的检测

高频脉冲形成器主要是输出功率、波形、频谱符合要求的高频脉冲，要求输出高频峰值功率大于15W，输出窄脉冲1.57±0.1μs，宽脉冲4.5~5.0μs，输出脉冲前后沿≥0.12μs。用示波器测量低仰角时形成的窄脉冲信号，如图 3。由实际波形可以看出，输出窄脉冲的上升沿中部出现了一个“拐点”，脉冲宽度为1.4μs，明显小于标准输出脉宽的1.57μs。由此，我们基本可以判定，故障出在高频脉冲形成器3A5上。

高频脉冲形成级的原理框图如图 4所示，功率分配器将高频输入信号一分为二，两只调制器分别对两路信号进行脉冲调制。其中，下面一路高频脉冲较上面一路在时间上略有延迟，相位经过移相器后也略有滞后，时间延迟和相位滞后的目的是为了补偿速调管放大器在脉冲前后沿的相位失真，而脉冲形成驱动器负责对脉冲形成级的两个调制器进行控制。根据以往的维修经验可知，驱动器电路中JLQ-79504和JLQ-79507两块芯片的老化、损坏以及电路中没有添加滤波电容都会容易造成上升沿的“拐点”现象。

从功率计算方面分析，因为上升沿出现了“拐点”，其占有的时间相对较多，导致脉宽τ减小，脉冲信号的占空比D也随之减小。

${D} = \left( {{\tau }/{T}} \right) \times 100\% = \left( {{\tau } \times {f}} \right) \times 100\% $

式中T为脉冲周期，f为脉冲重复频率。无论是功率计还是雷达系统机内的功率参数显示，都与占空比成正比例关系，占空比的减小必然会导致发射功率的下降。

4.4 其他部件的故障检测及排除

可变衰减器，由功率计、示波器检测可知，调节可变衰减器，峰值功率以及发射脉冲包络的波形都跟随着改变，说明可变衰减器性能完好；速调管放大器，一旦损坏，发射功率就会降得非常低甚至没有输出，所以此次出现的情况，肯定不会是由速调管引起的；电弧/反射保护组件，起监测高频电弧及高频反射检波包络幅度的作用，如果超限，将立刻切断高压，而不会出现发射功率陡降但仍有部分输出的情况。

5 故障排除

更换高频脉冲形成器3A5，重新测量输出波形，上升沿“拐点”消失，脉冲宽度为1.57μs，用功率计测得发射峰值功率为710kW，高于要求的650kW，拷机48小时，输出功率稳定，故障排除。

6 结语

现在新一代多普勒雷达的保障工作中，维修工作大多数都定在“模块”一级上面，利用CINRAD雷达完善的自我标定和故障诊断系统，故障的排除一般都不会很复杂，关键是在于故障原因的分析。熟悉各分机系统的信号流程及各模块所起的作用，对快速、准确的故障定位十分重要。同时，机务员也要留意雷达性能各方面的细微变化，尽量对故障现象能做到防微杜渐，防范于未然。