深圳機場多普勒氣象雷達發(fā)射功率偏低原因分析

陳洪彬

摘 要：文章介紹影響多普勒氣象雷達發(fā)射信號的形成原理，并結合深圳機場多普勒氣象雷達發(fā)射功率偏低的實際案例，分析哪些參數直接影響發(fā)射功率的大小及調整方法。希望能對同行遇到同類問題時有一定的參考對比作用。

關鍵詞：多普勒氣象雷達；發(fā)射機；功率；參數調整

中圖分類號：V351.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0086-02

引言

深圳機場多普勒氣象雷達（以下簡稱ADWR雷達）為安徽四創(chuàng)電子有限公司生產的C波段全相參脈沖多勒氣象雷達，它能監(jiān)測雷達站周邊400公里范圍內的氣象目標，定量測量200公里范圍內的氣象目標強度，監(jiān)測150公里范圍內降水粒子群相對于雷達的平均徑向速度及速度譜寬。ADWR雷達正常工作時，發(fā)射機輸出脈沖功率達到250kW以上。由于發(fā)射機工作的高壓高功率條件，發(fā)射機是雷達系統(tǒng)出現故障較多的部分，而發(fā)射脈沖功率也是衡量雷達性能的重要技術參數。根據氣象雷達方程，當雷達發(fā)射脈沖功率出現異常下降后，雷達接收的回波強度隨之降低，雷達的探測距離也相應減小。因此發(fā)射功率是反映ADWR雷達發(fā)射機正常與否最直觀的指標參數，下文將對發(fā)射信號的形成進行介紹，結合故障實例分析造成發(fā)射功率下降的原因，以及怎樣調整參數來調節(jié)發(fā)射功率的數值。

1 ADWR雷達發(fā)射脈沖信號的形成

ADWR雷達采用主振放大式發(fā)射機，發(fā)射機主要由主振振蕩器和射頻放大鏈兩個部分組成。主振振蕩器主要由接收機激勵源分機的DDS信號源、激勵中頻調制、兩次上變頻、激勵射頻調制、激勵功放，及發(fā)射機的固態(tài)放大器等組成。DDS源產生60MHZ連續(xù)波中頻激勵信號，送至中頻調制器受發(fā)射脈沖調制，形成被矩形脈沖包絡調制載波頻率為60MHz的中頻激勵脈沖信號。該信號經過兩次上變頻，得到5430MHz的本雷達站射頻信號，然后到射頻調制器再次受調制，經中功率放大器放大輸出0.5W以上的射頻激勵脈沖，再送至發(fā)射機的固態(tài)放大器，放大輸出1～5W功率可調的射頻激勵脈沖信號至速調管輸入腔，作為射頻放大鏈的輸入信號[1]。射頻放大鏈主要由速調管、燈絲電源、磁場電源、鈦泵電源、高壓電源、固態(tài)調制器、脈沖變壓器等組成。 三相380V交流電整流后，經軟啟動控制將直流高壓送至以兩個IGBT開關管為核心的開關變換器。兩個IGBT開關管交替導通截止，輸出幅度受到精確控制的方波脈沖到儲能變壓器，固態(tài)調制器的脈沖形成網絡PFN上獲得了幅度精確控制的高壓，放電觸發(fā)信號使固態(tài)調制器經脈沖變壓器輸出-40KV的高壓脈沖加至速調管陰極，作為速調管陰極電壓。

速調管輸入的射頻激勵信號必須準確地嵌套在速調管陰極的高壓脈沖信號頂部的平坦部分，速調管才能起到足夠的放大效果，把1-5W的激勵脈沖放大到峰值250kW以上的發(fā)射脈沖。速調管是發(fā)射機的關鍵部件，其增益大小直接決定雷達發(fā)射功率的大小，因此除了自身的硬件狀況，速調管的激勵輸入和陰極燈絲高壓是影響雷達發(fā)射功率的兩個重要因素。

ADWR雷達發(fā)射脈沖信號流程如圖1所示。

2 發(fā)射功率偏低原因分析

（1）速調管陰極發(fā)射能力下降。速調管的電子槍由燈絲、陰極、聚束極、陽極等組成，燈絲接電后發(fā)出熱量，使陰極溫度上升而產生熱發(fā)射現象，從陰極發(fā)射出大量電子。在聚束極和陽極的配合下，陰極表面附近產生了聚焦電場，使得從陰極表面不同方向發(fā)射出來的電子聚成一束，形成圓形電子注射向收集極。深圳機場ADWR雷達速調管的燈絲電源為直流電源，額定值為6-7A。當速調管接近使用壽命時，陰極發(fā)射電子的能力將明顯下降，影響速調管的增益性能，造成發(fā)射功率下降。當發(fā)射功率下降小于250kW時，可以嘗試緩慢調節(jié)燈絲電流大小，來提高發(fā)射功率參數。一般順時針增大逆時針減小，如果調整燈絲電流但速調管總流和功率都沒有變化，并且用示波器合磁環(huán)測速調管收集極電流也小于14A，此時速調管很可能已經出現問題。

（2）速調管磁場線圈散焦。磁場電源的作用是使磁場線包產生均勻的軸向聚焦磁場，以保證速調管電子槍產生的電子注在速調管的整個渡越過程中獲得最佳的聚焦效果。當磁場線圈發(fā)生散焦現象時，速調管陰極發(fā)射的電子在腔體內發(fā)生偏轉，使得參加能量交換的電子數量減少，發(fā)射機輸出功率因此降低。此時應該分別調整兩路磁場電源的電流大小，調整范圍7A-9A，得到最佳的參數值使發(fā)射功率得到提高。

（3）高壓電源閉環(huán)峰值電流設置不當。高壓電源采用回掃充電技術對調制器進行充電，充電過程分為儲能變壓器充電和脈沖形成網絡PFN（也叫人工線）充電兩個部分?；貟叱潆婋娐肥且环N控制電感儲能的并聯電感充電形式，當電感電流達到預定值時突然阻斷對電感的儲能，這個電流預定值就是高壓閉環(huán)峰值電流。高壓閉環(huán)峰值電流直接控制功率開關組件兩個IGBT的導通時間，從而影響人工線的充電電容電壓值，人工線電壓決定了脈沖變壓器的輸出高壓，也就是速調管的陰極電壓。高壓電源閉環(huán)峰值電流參數不當導致速調管的高壓不足，自然發(fā)射機的輸出功率也就偏低了。高壓閉環(huán)峰值電流的調制可以通過發(fā)射機高壓控保板的電位器RP1來調整，具體可查閱雷達手冊《ADWR雷達參考手冊（上冊2）》第54頁，調整過后觀察控制軟件界面的發(fā)射功率值和PFN數值，PFN數值最好不超過3.9，負責容易引起“可控硅”告警。

（4）發(fā)射接口板觸發(fā)時序不當導致“嵌套”不好。ADWR雷達采用陰極脈沖調制，調制脈寬比從固態(tài)放大器輸出的射頻激勵略寬，“嵌套”指得就是射頻激勵處在調制脈沖的頂部進行放大。如果兩個信號嵌套不好，會影響射頻的檢波包絡，發(fā)射功率也會降低。調制嵌套的形狀可通過發(fā)射接口板的兩個電位器RP1、RP2來調節(jié)，具體可查閱雷達手冊《ADWR雷達參考手冊（上冊2）》第54頁，兩個電位器分別調節(jié)基準觸發(fā)和發(fā)射觸發(fā)的時序，對應著射頻脈沖的前沿和后沿。調整射頻的前、后沿，使其與當前設置的脈寬一致，并且剛好嵌套在速調管高壓調制脈沖里面，這樣才能保證射頻信號的最佳放大效果，發(fā)射機功率才能達到正常值。endprint

（5）速調管輸入激勵信號功率不足。ADWR雷達接收分系統(tǒng)的激勵源分機提供0.5W左右的射頻激勵信號，然后經過固態(tài)放大器放大到1-5W，再經過可變衰減器輸出一個使速調管輸出功率最大的最佳的激勵信號值。假如固態(tài)放大器的輸出功率值不足，自然經過速調管放大后也無法達到正常要求的發(fā)射功率大小。在實際的保障中，可以通過調節(jié)可變衰減器來調節(jié)發(fā)射功率大小。

3 故障案例檢測

故障現象： ADWR雷達發(fā)射功率從250kW逐漸下降到100kW左右。

故障檢測：在沒有功率計、網絡分析儀，等測量儀器的情況下，維護人員主要利用示波器，萬用表，監(jiān)控維護軟件、設備參數表頭來對故障進行初步的定位和檢查。

（1）檢查系統(tǒng)狀態(tài)信息及發(fā)射分系統(tǒng)參數。首先檢查監(jiān)控維護軟件的整機狀態(tài)信息，各分系統(tǒng)均無狀態(tài)告警。然后加高壓檢查發(fā)射機監(jiān)控指示面板各表頭參數。速調管總流指示，是將電流信號轉換成電壓信號的顯示值，0.8us脈寬，900Hz單頻工作下，正常范圍為2.3-3V；速調管管體電流，正常值應小于總流的10%；燈絲電流，額定值6-7A；高壓電壓，是高壓電源的整流輸出按100：1 進行比例顯示，正常值為5V；高壓電流，最大值應小于等5.5A；磁場電流，額定值為7-9A；鈦泵電流，間接反映速調管真空度，最大值應小于等于10uA。經檢查，以上高壓發(fā)射表頭參數均符合。

（2）檢查速調管收集極電流。加高壓后用示波器和磁環(huán)檢查速調管收集極電流波形，磁環(huán)把速調管收集極電流轉化為電壓值顯示。測量值為14V左右，大小正常，波形也符合正常形態(tài)。

（3）示波器檢查發(fā)射脈沖檢波包絡。從定向耦合器出來加衰減器和檢波器接到示波器，將雷達重復頻率和脈寬設為固定值，加高壓后查看波形。測量脈寬大小與所選參數一致，波形前后沿，頂部沉降正常。

（4）檢查發(fā)射激勵與高壓脈沖嵌套。示波器通道1接磁環(huán)監(jiān)測的速調管收集極電流波形，通道2接定向耦合器出來的發(fā)射脈沖檢波包絡波形，就是同時測量上述（2）（3）兩個信號波形，檢查兩者的嵌套情況。速調管收集極電流的時序代表脈沖高壓的時序，正常的時序情況應該是發(fā)射脈沖嵌套在收集極電流信號的中間，如圖所示。

實際波形發(fā)現發(fā)射脈沖比較偏右，不在中間。此時，想通過發(fā)射接口板的電位器來改變發(fā)射脈沖前后沿的時序來調整信號嵌套，結果后沿能改變，前沿沒變化。懷疑激勵時序有問題。技術人員接著用示波器加衰減器和檢波器檢查接收機輸出的激勵信號（固態(tài)放大器的輸入信號）檢波波形，信號正常。懷疑固態(tài)放大器有問題導致嵌套異常。嘗試跳過固態(tài)放大器直接把接收機輸出的激勵送至速調管，再通過接口板電位器調發(fā)射脈沖時序，此時前后沿均可調，信號嵌套可調整到正常狀態(tài)。確定固態(tài)放大器工作異常導致信號嵌套異常。

（5）檢查激勵大小。跟廠家訂做新的固態(tài)放大器到貨后，廠家工程師攜帶功率計來檢測和更換故障件。用功率計測量固態(tài)放大器的輸出，證實固態(tài)放大器故障以致速調管的輸入激勵信號偏小，而且時序異常，信號嵌套不好，最終導致ADWR雷達發(fā)射功率偏低。

最終，更換了固態(tài)放大器，調整了速調管激勵的大小，再通過調整燈絲電源，磁場電源，調閉環(huán)峰值電流決定的PFN人工線電壓值，發(fā)射功率恢復到250kW以上。

4 結束語

速調管自身的性能狀況，還有與其工作相關的陰極激勵輸入、燈絲的脈沖高壓是影響ADWR雷達發(fā)射功率大小主要因素。在ADWR雷達的運維中，可以參考文章上述幾個方面來查找發(fā)射機功率偏低的原因，并通過調整相應參數和更換部件使發(fā)射功率恢復到正常大小。以上幾點原因僅供參考，實際運維中可能還有其他的功率影響因素，希望通過日后的經驗積累和學習交流把結論進一步完善。

參考文獻：

[1]安徽四創(chuàng)電子股份有限公司.民航C波段多普勒（ADWR）天氣雷達系統(tǒng)手冊[Z].2006.

[2]李勇.多普勒氣象雷達發(fā)射系統(tǒng)的故障及處理措施[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（31）：287.

[3]朱睿.多普勒雷達觀測資料質量控制方法研究及其應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（27）：291.endprint