C波段新一代天氣雷達頻率源模塊級故障診斷方法及流程

安克武， 王 龍， 高 原， 賈木辛， 張春雷

(新疆氣象技術裝備保障中心，烏魯木齊 830011)

引 言

C波段新一代天氣雷達已經在我國東北和西北地區布點建設使用近20年，在短期臨近預報、人影作業和相關氣象領域發揮了重要作用，已經成為氣象部門冰雹作業、強對流天氣預報、人工降水作業等不可或缺的主要觀測設備。做好雷達保障工作，快速、及時、準確診斷分析并排除雷達各種故障，保證雷達運行狀態良好顯得尤為重要。作為新一代天氣雷達核心單元組件，C波段天氣雷達頻率源是全相參天氣雷達的關鍵部件，為天氣雷達發射、接收系統提供高穩定性、高純頻譜信號。若頻率源輸出波形參數發生異常，將導致天氣雷達發射功率大幅度下降或發射頻譜異常，以及接收系統射頻通道、數字中頻、激勵調制工作異常和雷達回波反射率、徑向速度、速度譜寬圖異常。在所有雷達故障中，頻率源故障出現的頻次多、影響大，是雷達維護的重中之重。新疆地區從2002年至2013年陸續布點建設12部不同批次C波段全相參天氣雷達。按照雷達生命周期“U”字形規律，從2013年開始雷達的生命周期逐漸進入“U”字形后期上升期。從近幾年雷達出現故障統計數據來看，頻率源出現故障概率呈現較高趨勢。為了快速、有效解決雷達頻率源故障，結合20年的雷達維護經驗和詳細案例，參考了潘新民[1-3]、楊傳鳳[4]、吳少峰[5]、張濤[6]、葉勇[7]、梁華[8-10]等的相關經驗及其他專家在雷達綜合故障、接收機故障方面的診斷和分析方法[11-27]，總結和歸納出一套頻率源故障診斷、測試、分析方法和排障流程。本文結合頻率源典型的故障案例，特別是針對頻率源鎖相環路和VCO輸出的相位同步信號(一本振信號)故障頻發的原因進行了分析，采用遠程診斷技術、模塊組件工作特性分析技術，對頻率源關鍵點波形參數進行診斷、測試、分析，通過比對分析，發現并排除了頻率源故障。遠程接管系統可以實時捕獲雷達狀態信息及其工作參數；遠程控制本地儀表可以參數測量，獲取雷達波形參數；遠程視頻語音交互系統可以遠程指導臺站保障人員進行故障快速分析、診斷定位和排查。遠程故障診斷方法的使用，突破了時空限制，提高了故障響應時效和故障判斷準確率。模塊級診斷方法主要使用各類儀表、結合單元組件輸入輸出的信號參數及關鍵點波形的測試，進行故障診斷、分析和排除，具有快速、準確、維修成本低的優點。遠程故障診斷方法與現場模塊級故障診斷方法相結合的雷達保障模式，真正縮短維修時效，提高保障效率，節約保障經費。

1 頻率源信號流程及關鍵測試點參數

頻率源是雷達接收系統十分重要的單元組件，不僅為整個雷達提供了所需的基準信號，也為發射機和接收機提供了高穩定性、高純頻譜信號。晶體振蕩器產生的100 MHz的基準信號，送入頻標綜合，經變頻處理后，輸出信號包括射頻接收通道單元混頻器一本振、二本振信號；激勵源單元混頻器一本振、二本振信號；激勵源(DDS信號源)240 MHz時鐘信號；雷達整機時序信號16 MHz；數字中頻采樣50 MHz信號及基準相參50 MHz信號。C波段天氣雷達頻率源單元信號流程如圖1所示。主要信號流程及信號關鍵測試點中心頻率和功率幅度值如下。

圖1 C波段天氣雷達頻率源單元信號流程圖

(1)一本振信號

晶振振蕩器輸出100 MHz(功率≥10 dBm)→頻標綜合輸出100 MHz(功率≥10 dBm)→FD4500倍頻器輸出4500 MHz(功率≥9 dBm)→混頻器輸出4850 MHz至5030 MHz(功率≥3.5 dBm，與VCO輸出350 MHz至530 MHz進行混頻，混頻輸入功率≥0 dBm)→諧波濾波→功分放大→輸出4路一本振4850 MHz至5030 MHz(功率≥9 dBm；一路至射頻接收通道1；二路至射頻接收通道2；三路至激勵源單元；四路至檢測單元)。

(2)二本振信號

晶振振蕩器輸出100 MHz(功率≥10 dBm)→頻標綜合輸出4路二本振400 MHz(一路至射頻接收通道1，功率≥7 dBm；二路至射頻接收通道2；三路至激勵源單元，功率≥-2 dBm；四路至檢測單元，功率≥0 dBm)。

(3)鎖相環路信號

①鑒相組件，晶振振蕩器輸出100 MHz(功率≥10 dBm)→頻標綜合輸出功分2路100 MHz(一路至鑒相器，功率≥10 dBm；二路至檢測分機，功率≥0 dBm)→鑒相組件輸出相位差電壓信號(線性2 V左右)。②VCO變頻綜合組件，鑒相組件輸出電壓信號(鑒相器相位差電壓2 V左右)→VCO變頻綜合輸出2路(一路至反饋頻率信號250、350 MHz鑒相器，功率≥0 dBm；一路至混頻器350至530 MHz(頻間20 MHz)，功率≥0 dBm)。晶振振蕩器輸出100 MHz(功率≥10 dBm)→頻標綜合輸出50 MHz(功率≥12 dBm，至VCO變頻綜合)。

(4)其他信號

①頻標綜合輸出16 MHz(功率≥12 dBm)→監控分機時序板。②頻標綜合輸出16 MHz(功率≥10 dBm)→激勵源時序控制。③頻標綜合輸出50 MHz(功率≥0 dBm)→數字中頻單元采樣。④頻標綜合輸出240 MHz(功率≥10 dBm)→激勵源DDS信號源。

2 頻率源模塊級故障診斷方法和流程

2.1 依據故障現象進行遠程診斷分析

依據故障現象進行遠程診斷和分析是雷達各分系統故障診斷、維修保障的主要方法和手段，特別是重大疑難故障，省級雷達保障人員使用遠程診斷系統，對雷達故障現象進行快速診斷、分析判斷比較關鍵，不僅對現場故障維修處理人員具有重要指導意義，而且對雷達保障時效的提高具有重要意義。根據多年雷達保障實踐經驗，頻率源出現故障或關鍵模塊技術指標下降后，可能出現故障現象診斷、分析和判斷的方法如下。

(1)現象1：回波異常，速度花屏，噪聲電平略有下降。

①遠程視頻→二本振輸出正常(觀察二本振檢測功率指示燈正常)→50 MHz基準相參信號正常(觀察基準相參信號指示燈正常)→檢測分機100 MHz指示燈正常→頻率源相位鎖定燈正常。

②遠程接管讀取參數→發射機收集極電流(單重頻,2.6)正常→發射機正常→讀取終端RF激勵功率異常(較小，正常0.43)→讀取終端→本振功率異常(較小,正常0.42)。

分析：依據頻率源信號流程(圖1)，結合遠程診斷系統獲得的數據進行分析判定，頻標綜合輸出100 MHz信號正常→頻率源相位鎖定燈正常→VCO頻標輸出350～530 MHz信號(送至混頻器)正常→終端顯示一本振檢測功率異常(較小)→一本振輸出異常→FD4500倍頻器輸出4500 MHz信號異常。判斷可能出現故障模塊為FD4500倍頻器。

(2)現象2：頻率源鎖定燈滅，回波異常，速度花屏，噪聲電平正常。

①遠程視頻→二本振輸出正常(觀察二本振檢測功率指示燈正常)→50 MHz基準相參信號正常(觀察基準相參信號指示燈正常)→檢測分機100 MHz指示燈正常→頻率源鎖定燈滅→鎖相環與VCO振蕩器相位失所。

②遠程接管讀取參數→讀取終端RF激勵功率異常(較小)→讀取終端一本振功率異常(較小)。

分析：依據頻率源信號流程(圖1)，結合遠程診斷系統獲得的數據進行診斷、分析，存在兩種可能。

第一種：鎖相環輸入100 MHz異常(或頻標綜合輸出50 MHz至VCO異常)→鎖相環指示燈異常→判定鎖相環和VCO壓控振蕩器工作異常→終端顯示一本振檢測功率異常(較小)→一本振輸出異常。判斷可能出現故障：鎖相環路與VCO壓控振蕩器相位失所、頻標綜合輸出100 MHz和50 MHz異常、頻標綜合輸出100 MHz至功分器異常。

第二種：鎖相環輸入100 MHz正常和頻標綜合輸出50 MHz正常(至VCO)→鎖相環指示燈異常→判定鎖相環和VCO壓控振蕩器工作異常→終端顯示一本振檢測功率異常(較小)→一本振輸出異常。判斷可能出現故障模塊為鎖相環路與VCO壓控振蕩器，原因是相位失所導致工作異常。

(3)現象3：報二本振故障信息，回波異常，速度花屏，噪聲電平下降明顯。

①遠程視頻→50 MHz基準相參信號正常(觀察基準相參信號指示燈正常)→檢測分機100 MHz指示燈正常→頻率源鎖定燈正常→二本振輸出異常(觀察二本振檢測功率指示燈滅)。

②遠程接管讀取參數→讀取終端RF激勵功率正常→讀取終端一本振功率正常。

分析： 依據頻率源信號流程(圖1)，結合遠程診斷系統獲得的數據進行分析判定，可能出現故障：頻標綜合輸出400 MHz信號異常。

(4)現象4：報基準相干信號故障信息，回波異常，速度花屏，噪聲電平下降至0 dB。

①遠程視頻→50 MHz基準相參信號異常(觀察基準相參信號指示燈滅)→頻率源鎖定燈異常(觀察頻率源鎖定燈滅)→檢測分機100 MHz指示燈正常→二本振輸出正常(觀察二本振檢測功率指示燈正常)。

②遠程讀取參數→讀取終端RF激勵功率異常→讀取終端一本振功率異常。

分析：依據頻率源信號流程(圖1)，結合遠程診斷系統獲得的數據進行分析判定，可能出現故障：頻標綜合輸出50 MHz異常(至VCO變頻綜合)→鎖相環路與VCO變頻綜合工作異常→頻率源鎖定燈異常；頻標綜合輸出50 MHz異常(至數字中頻采樣信號)→數字中頻工作異常→開機終端噪聲電平下降至0 dB。最終頻標綜合輸出50 MHz信號異常。

(5)現象5：噪聲電平跳變，終端操作無法控制雷達。

分析：依據頻率源信號流程(圖1)，直接可以判定頻標綜合輸出至監控分機的時序板的主時鐘16 MHz信號異常。

2.2 依據頻率源模塊組件工作特性進行故障診斷、分析方法

通過遠程故障診斷、分析，結合頻率源模塊組件的信號特性進一步進行精準診斷和分析。

(1)穩壓電源輸出十組直流電壓不穩定→頻標綜合輸出各種信號異常→VCO綜合、鎖相環路異常→一本、二本振異常→發射機功率大幅下降→速度異常→頻率源上“鎖定”燈滅。

(2)頻標綜合輸出100 MHz信號異常→一本振異常(頻率源鎖定燈滅)→回波異常、速度花屏→噪聲電平偏低→速度標定異常→噪聲系數標定不好。

(3)頻標綜合輸出400 MHz信號異常→終端報二本振故障信息→回波異常、速度花屏→噪聲電平偏低→噪聲系數標定不好。

(4)頻標綜合輸出50 MHz相干信號異常→終端報相干信號故障信息→“標定/BITE”上“相干源”指示燈滅→頻率源上“鎖定”燈滅→回波異常。

(5)頻標綜合輸出50 MHz數字中頻采樣信號異常→終端噪聲電平下降0 dB→回波和速度圖異常。

(6)頻標綜合輸出16 MHz主時鐘信號異常→噪聲電平跳變→監控系統時序控制板無時序輸出(至發射、接收)→終端不能操作控制。

(7)頻標綜合輸出240 MHz信號異常→回波異常、速度花屏→強度標定異常(DDS信號源異常)。

(8)DF4500倍頻器輸出4500 MHz信號異常→一本振信號異常→回波和速度圖異常。

(9)混頻器或功分放大器異常→一本振信號異常→回波和速度圖異常。

(10)VCO頻標綜合和鎖相環異常→VCO輸出350 MHz～530 MHz信號異常→一本振信號異常→頻率源上“鎖定”燈滅→回波和速度圖異常。

2.3 遠程診斷與模塊級診斷方法結合形成故障診斷、處理流程

按照頻率源信號流程(圖1)，結合遠程診斷技術和頻率源模塊組件工作特性及現場診斷、測試和分析經驗，歸納了近幾年所有頻率源故障處理案例，按照輸入輸出順序進行診斷、測試，完成頻率源故障診斷、測試、分析流程(圖2)。

頻率源是C波段天氣雷達的核心部件，結構組成比較復雜。為了快速、有效處理頻率源故障，必須熟悉頻率源單元各模塊信號流程和頻譜儀使用方法。在此基礎上，從故障現象入手，采用遠程診斷、分析方法，并參考頻率源模塊組件輸出信號異常產生故障特征現象，結合現場對關鍵測試點的波形、中心頻率和功率值的測試、分析和判斷，確定模塊輸出信號是否正常，依次縮小故障范圍，最終通過更換備件解決故障，恢復雷達正常運行。

3 典型故障案例分析

通過統計分析近幾年C波段天氣雷達維修保障記錄數據，發現接收系統頻率源一本振信號出現故障次數最多。

3.1 故障現象描述

計算機終端無報警信息，頻率源鎖相燈滅，“標定/BITE”分機二本振、基準源信號、相參信號指示燈正常，發射機功率顯示4 kW異常(正常功率≥250 kW)，回波強度異常，速度花屏異常。依據故障現象分析，雷達故障應該屬于“2.1(2)現象2”小節描述情況。

3.2 故障診斷、測試、判定方法

3.2.1 遠程診斷分析

依據故障現象，按照“2.1(2)現象2”小節診斷流程進行遠程診斷分析。

(1)遠程視頻→頻率源鎖相燈異常→標定/BITE分機二本振、基準源信號、相參信號指示燈正常。

(2)遠程終端獲取參數→RF激勵檢測功率下降(異常)→一本振檢測功率下降(異常)。

(3)通過遠程診斷分析，按照“2.1(2)現象2”小節診斷流程和模塊故障可能性大小排序，基本可以判定，VCO頻標綜合、鎖相環路模塊故障可能性>頻標綜合模塊的>FD4500模塊的。

(4)通過遠程診斷分析，基本可以確定激勵源輸出信號異常和頻率源輸出一本振信號異常，同時發射功率下降非常明顯，所以在診斷、檢查頻率源之前，必須對激勵源輸出激勵信號進行測試、分析。

3.2.2 現場模塊級診斷、測試、分析判定

根據遠程診斷、分析結果，該雷達故障不僅與頻率源輸出信號有關，也不排除與激勵源調制信號有關。依據遠程診斷判定結果，按照圖2故障診斷流程，現場采用手持頻譜儀和萬用表進行逐一診斷、排查，排查VCO頻標綜合輸入輸出信號，頻標綜合輸出50 MHz、100 MHz信號，FD4500模塊輸出4500 MHz信號。

圖2 C波段天氣雷達頻率源故障診斷、測試流程圖

(1)發射輸入激勵信號

①激勵高頻RF調制信號。激勵源輸出信號5470 MHz，正常功率≥27 dBm，使用頻譜儀測量結果，中心頻率偏移了155 MHz，功率為-15.7 dBm。從頻譜圖分析，激勵源高頻RF調制正常，可能在一本振和二本振兩次上變頻時，中心頻率發生了偏移，但不排除中頻IF調制時中頻頻率也有可能發生偏移，需要進一步診斷、分析激勵源中頻IF調制頻譜。②激勵中頻IF調制信號。該雷達的激勵源中頻IF頻率為60 MHz，測量結果顯示，中心頻率和功率值均正常，中頻IF調制頻譜圖正常。

通過對激勵源中頻IF和高頻RF調制輸出信號排查，可以判斷激勵源工作正常，下一步需要對頻率源進行診斷、測試、分析。

(2)穩壓電源測試

穩壓直流電源提供頻率源單元所有模塊電源供電，一旦電源異常，將導致所有模塊工作異常，所以首先要進行穩壓電源測試。使用萬用表測量電源穩壓器2輸出各種電壓，測量端子X1-X6，測量值分別為+24V、-24V、+12V、-12V、+9V、-9V，輸入電壓測量正常。再分別測量端子X7-X16，測量值分別為+24V、-24V、+15V、-15V、+12V、-12V、+9V、-9V、+5V、-5V，輸出電壓正常，說明頻率源穩壓電源工作正常。

(3)一本振信號測試

一本振信號正常工作頻率5010 MHz，正常功率≥10 dBm，頻率為4856 MHz，功率為10.28 dBm，顯然中心頻率偏離了155 MHz，表明一本振信號異常。

(4)FD4500倍頻器輸出信號測試

從頻率源流程(圖1)可知，一本振信號輸出異常，除了和VCO輸出到混頻器的信號有關外，還與FD4500倍頻器輸出的信號4500 MHz有關。測試結果頻率為4500 MHz，功率為2.73 dBm，表明FD4500倍頻器輸出信號正常。按照圖1和圖2流程，表明頻標綜合輸出100 MHz信號也正常。

(5)頻標綜合50 MHz輸出信號測試

頻標綜合50 MHz輸出頻率50 MHz，正常功率≥0 dBm。實際測試結果，功率為1.1 dBm，表明頻標綜合輸出50 MHz信號正常。

(6)鑒相器輸入100 MHz信號測試

鑒相器輸入100 MHz信號是由頻標綜合100 MHz功分后輸出的信號提供的，正常功率≥0 dBm，實際測試功率為0.82 dBm，表明頻標綜合輸出100 MHz信號正常。

(7)VCO輸入信號

VCO輸入正常頻率為350 MHz(7C批次雷達需要將50 MHz經P頻標轉換為350 MHz，10C批次直接輸入50 MHz)，正常功率≥0 dBm，說明VCO輸入信號正常。

(8)VCO輸出信號

VCO輸出正常頻率為510 MHz，正常功率≥0 dBm，但實際測量沒有任何信號輸出，說明VCO變頻綜合工作異常。

通過以上診斷、測試、分析，可以判定VCO變頻綜合工作異常，從而導致一本振信號異常。需要更換VCO變頻綜合模塊。

3.3 更換故障模塊

故障判定后，需要更換VCO故障模塊。由于鑒相器、低通濾波器和VCO壓控振蕩器是一套組件，其中環路增益和VCO的控制靈敏度兩個參數是成套配置的，所以更換VCO變頻綜合，也必須更換鎖相環路，兩個組件必須一起更換，否則將影響鎖相環路相位跟蹤性能。

更換鎖相環路和VCO兩個模塊后，測量一本振輸出中心頻率5010 MHz，功率為10.15 dBm，測量激勵源輸出中心頻率5470 MHz，功率為27.8 dBm。觀察發射機功率270 kW，回波和速度圖均正常。

依據故障現象，按照遠程診斷、故障模塊級診斷方法和處理流程，能夠快速準確定位故障，排除故障，提高故障響應時效，降低維護成本。

4 總結與討論

(1)快速、準確地診斷、分析并排除頻率源故障，需要遠程和現場相結合的診斷、分析方法，同時要熟悉頻率源的結構、信號流程、關鍵點測試波形參數及頻譜儀的使用方法，按照模塊信號輸入、輸出的排查順序，測量并分析中心頻率和功率幅度兩個參數來判定模塊的工作是否正常。

(2)針對鎖相環路和VCO出現故障可以參考使用另外一種診斷和判斷方法。由于頻率源一本振信號輸出采用的是相位跟蹤技術，由圖1可知，鎖相環路組件鑒相器輸入的100 MHz信號和VCO反饋頻率經過鑒相后，由低通環路濾波器輸出的是電壓信號，正常情況下該電壓是直流2.1 V左右。依此也可以直接判斷鎖相環路組件是否正常。

(3)在處理頻率源故障時，盡量使用分析帶寬分辨率較高的頻譜儀，在分析、測試一本振信號和晶體振蕩器輸出信號的相位噪聲時，可以更容易發現頻譜邊帶的噪聲信號。

(4)通過多次故障案例檢驗證明，本文歸納總結的頻率源故障診斷、分析和處理流程，可以快速、準確地找到故障的關鍵問題，為雷達故障處理提供一些可以借鑒的經驗。