SELEX二次雷達RF Source模塊故障定位與分析

周逸凡

（中國民用航空西南地區空中交通管理局重慶分局，重慶 401120）

0 引 言

民航重慶空管分局一碗水雷達站所轄二次雷達設備是SELEX公司生產的SIR-S（Secondary Interrogator Radar with Selective Interrogation Mode Implemented）型二次雷達，為雙通道配置，可以通過如下方式觸發交叉連接。一是手動，通過操作指令；二是自動，當兩個通道出現并發故障時，將進行一個通道的主用應答處理和通道管理單元與另一個通道的發射接收組合單元的交叉連接。該設備曾發生A通道故障，雷達單通道運行，設備提供服務的保障能力下降，故障產生的告警模塊較多。面對如此紛繁的告警情況，雷達站工作人員仔細分析故障現象，按照應急流程操作設備并且通過梳理二次雷達信號流程以及查閱官方資料后確定了故障模塊為RF Source板件。下面對這次的故障排除工作進行詳細介紹，希望能對相關人員有所幫助。

1 物理描述及系統監控方式

1.1 物理描述

一碗水二次雷達型號為SIR-S，采用ALE-9型號開式陣列天線（由水平方向并排排列的35個輻射柱組成），發射頻率為1 030 MHz，接收頻率為1 090 MHz[1]。SIR-S二次雷達設備是由2個機柜組成的雙通道系統，每個機柜包含1個發射單元（固態）、1個接收單元、1個應答處理和通道管理（RPCM）、1個轉換開關、1個配電組件以及1個執行控制面板。

對于2套相同的發射機/接收機通道，一個與天線連接，另一個作為在運行通道發生故障時的備份。2個發射機/接收機通道與2套RPCM數據提取/控制組件交叉連接，2套RPCM具有雷達控制和雷達數據提取的功能。在正常運行模式下，一個發射單元和一個接收單元與天線相連接（主通道），另一個發射單元和另一個接收單元以熱備份的方式與虛擬負載相連接（備用通道）。在與天線相連接的發射機或接收機出現故障的情況下，這個發射機接收機組合將與虛擬負載相連接，而另一發射機接收機組合與天線相連。2套發射機接收機組合之間的轉換功能是由轉換開關組件完成的。2個RPCM單元具有主用/備用、容錯配置。發射單元、接收單元和轉換控制組件由自己通道的RPCM控制，也被另一個通道的RPCM控制。2個RPCM單元都從發射機/接收機通道接收狀態和告警信息。2個發射/接收通道接收相連接的RPCM的控制和測試信號，同時將狀態和告警信號發送給RPCM。基于2套發射機/接收機組合的狀態和告警信息，評估2套組合的運行狀態，以保證雷達性能[2]。

當告警出現時，主用RPCM比較2套發射接收組合的告警狀態并決定要執行的操作。主用RPCM通過轉換開關組件控制發射接收單元的配置，也就是控制指定的發射接收組合與天線相連接。2個RPCM相互之間交換所有的信號和信息，這些信號和信息用來進行通道轉換，轉換開關組件的控制和RPCM的校準。

該產品的特性是設備模塊化設計，即特定功能由單一組件完成、每一組件可隔離處理并單獨進行測試以及每一組件單獨供電。發射機單元由模塊發射機接口處理器（TXIP）、RF Source模塊（射頻源）、2個低壓驅動放大器模塊（Main/Aux發射機通道一樣）、2個主（Main）高功率放大器模塊、1個輔（Aux）高功率放大器模塊、檢測器模塊以及供電模塊等組件組成。

SIR-S雷達發射機單元采用雙發射機配置（主用和備用通道），采用全固態發射機和插入式裝置[3]。

SIR-S發射機射頻源(合成器/調制器)上的合成器產生1 030 MHz的RF信號，并分成3組輸出，1個連續波（Continuous Wave，CW）輸出給接收機的本地晶振，1個調制輸出給Aux放大器鏈，1個調制輸出給Main放大器鏈。在沒有衰減的情況下，發射機組件產生一個最小峰值輸出功率為+64 dBm。Main和Aux發射路徑上有2套相同的Main/Aux低功率放大器，在低功率放大器和高功率放大器內部，輸出功率水平的變化是通過控制放大電路輸出的調制器電路實現的。RPCM通過TXIP接口控制調制器電路的參考值。Main和Aux高功率放大器的輸出功率相似，但是它們的電路設計不同，而且Main和Aux發射機對發射占空比的要求不同。發射單元不同模塊的BITE信息被發送到TXIP，TXIP還與2個RPCM相連接。供電單元引入了模塊化設計，具有一個主輸入，為發射單元組件的不同模塊提供48 V和12 V的直流輸出電壓。

接收機單元由預選濾波器、射頻和測試本振（RF&TO）、對數放大和相位檢測（LOG&PD）、接收機控制和監視（RXCM）等組件組成。SIR-S接收單元作用為：①接收預選濾波器組件來的SUM、DELTA、OMNI信號；②將 RF 信號 (1 090 MHz)下變頻到中頻(60 MHz)；③在信號中頻放大時按照ICAO規范對信號進行濾波。信號中頻放大是通過對數放大器實現的，對數放大器能夠保持幅值與相位的匹配關系，提取相位信息，將中頻信號轉換為視頻信號。

1.2 系統監控方式

一碗水雷達站二次雷達的監控方式有SSR LCP與控制和監測系統（Control Monitoring System，CMS）。通過二次雷達本地控制面板SSR LCP，可以觀察系統運行情況并根據需要對二次雷達進行控制，如開關輻射、切換通道等操作。CMS主要負責監測雷達系統狀態，并控制雷達系統。CMS能夠連續對設備進行狀態監控，實時顯示告警信息，提供人機接口界面，保存日志和數據。此外，還能提供狀態報告和診斷信息，并能通過顏色圖形表示設備故障的類型和位置，同時提供聲音報警。

除此之外，當設備中某一塊板件發生故障告警時，也可以通過機柜中板件的告警指示燈直觀地觀察板件是否有異常。同時，系統還配備有雷達監視管理系統，可以處理雷達系統本地或遠程的操作和信號，接收每個設備的狀態信息，并切換冗余設備的主備用關系、在監測設備上給出信息等。診斷性信息能通過雷達數據線或單獨的線傳送到工作站點，使得工作站點能遠程控制整個雷達頭。雷達維護監視器（Radar Maintenance Monitor，RMM）能以圖像顯示雷達在周圍環境中的工作情況和性能，可以利用RMM觀察整個雷達系統的工作情況、有無干擾等[4]。

綜上所述，一碗水雷達站對于設備的監控有多種方式，能夠在發生故障時幫助工作人員準確定位故障點，快速排查和處理故障。

2 故障分析與處置

2.1 故障現象

查看SIR-S二次雷達設備的監控發現了以下告警現象，一是CMS上出現二次雷達A通道發射機射頻源與調制模塊告警、對數放大和鑒相模塊告警，二是詳細告警顯示測試振蕩器故障、對數控制和通道故障以及下變頻和射頻控制故障[5]。查看SSR LCP監控，同樣發現A通道告警，發射機和接收機告警燈亮。查看二次雷達A通道設備機柜，發現發射機告警指示燈亮。

2.2 故障分析

通過以上的觀察，可以確定是A通道發射機故障。對CMS、LCP等監控進行操作來定位故障點，以此進行下一步故障排查。

首先，在LCP上對A通道的TX和RX進行保護復位，復位后如果告警仍存在，說明并非誤告警；其次，檢查A通道發射機各接線部分是否因松動而造成故障，檢查完畢后重啟A通道，重啟完成后如果告警未消除，說明并非連線的問題。此外，判斷是否為板件故障。根據監視顯示，A通道發射機故障且影響到后面接收機中的射頻和測試本振、對數放大和相位檢測模塊產生告警。射頻和測試本振在物理上可以分為兩個部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別為RF和TO。RF由限幅器和耦合器組件、低噪聲放大器組件、帶通濾波器（Band-Pass Filter，BPF）組件以及混頻器組件組成。通過限制RF功率電平來保護接收機免受強輸入信號損壞，同時將來自TO的測試信號鏈接到3路接收鏈的自動環路控制上來評估接收機性能[6]。TO部分負責產生用于測試接收機功能的測試目標信號。RF中混頻器的作用是將接收到的 RF 信號與發射機 RF Source傳來的 1 030 MHz連續波信號混頻得到60 MHz中頻信號，經過帶通濾波器處理后送到對數放大器。

LNA是輸入RF信號進入的第一個放大電路，具有高增益、低噪聲特性，可以保證接收機整體的低噪聲特性。帶通濾波器的目的是在信號進入混頻器之前濾除970 MHz的信號。通過RF電路上的電壓可變激勵器可以調整每個通道增益，從而使3個通道的增益一致。位于射頻鏈輸出位置的帶通濾波器根據ICAO規范實現特殊的頻率屏蔽，通過這種方式從射頻輸出到對數通道的信號已經具有需要的頻率特性。通過接入測試信號，當輸出信號電平落在前面確定的標稱值附近的區間段之外時，BITE電路提供一個故障指示[7]。將 1 030 MHz信號與 60 MHz的測試本振信號在混頻器M1中混頻，通過混合這兩個信號可以得到1 090 MHz的測試信號。RF模塊的輸出是對數放大器的輸入，三路匹配對數放大器具有90 dB的增益。

對數放大器和相位檢測器模塊在物理上也可以分為兩個部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別稱為LOG和PD[8]。LOG電路由IF對數放大器組件、電壓可變衰減器、視頻放大器以及BITE模塊組成[9]。PD電路由采樣保持塊組件、限幅器組件、IF對數放大組件以及基準電壓組件組成，包含有關閉三路ALC環路的電路[10]。對數中頻放大器產生到相位檢測器的IF信號等。幅值和相位控制器用于保持三路接收通道增益恒定。來自對數放大器的LOG SUM和LOG DELTA的60 MHz信號被送到相位檢測器。

由以上信號流程可知：①由于RF Source模塊無法產生 1 030 MHz連續波信號，因此 RF Source 模塊出現告警；②由于接收機無法接收到1 030 MHz信號，因此無法合成測試信號、也無法將射頻信號與發射機 RF Source 傳來的 1 030 MHz連續波信號混頻得到60 MHz的中頻信號，導致RF&TO模塊告警；③由于對數放大器和相位檢測器模塊無法接收到前級（RF電路）的中頻信號，因此該模塊告警。圖1為RF Source模塊產生的1 030 MHz連續波信號到RF&TO模塊和LOG&PD模塊的信號流程。

圖1 1 030 MHz 信號傳輸流程

根據以上分析，初步懷疑是RF Source模塊故障，從而引起其他模塊告警。

2.3 故障處置

確定故障點后，根據以下步驟對RF Source板件進行更換。在SSR LCP監控軟件上，確認處于本地控制狀態，關閉主用通道的輻射（一旦主用通道輻射關閉，備用通道的輻射也自動關閉），然后選擇A通道的Chanel Configuration=>update setting，在這個頁面選擇“system shut down”按鈕（關閉A通道的RPCM軟件），最后等待SSR LCP監控軟件顯示RPCM狀態為紅色。在A機柜上點擊Power on按鈕（關閉），再依次從右至左關閉TX、RX、RPCM、MainLine空開，依次關閉機柜各電源組件。更換RF Source板件備件，換好備件之后在A機柜上依次從右至左開啟TX、RX、RPCM、MainLine空開，再點擊“Power on”按鈕（開啟），等待2、3 min后RPCM啟動，檢查SSR LCP上是否有告警，確定無告警后開啟輻射。開啟之后觀察監控及設備，發現告警消失，設備運行正常。然后將A通道切換為主用，觀察一段時間后，確認設備信號正常。由此，可以確定告警是RF Source板件故障引起的，處置方法正確。

3 結 論

隨著雷達設備模塊化程度越來越高，對于雷達故障的定位也將會越來越準確、快速。當然，這一切的實現都離不開工作人員的知識技能儲備，要求工作人員對雷達信號流程十分熟悉，對雷達各個模塊的功能也要了然于心。模塊之間的相互聯系可能會導致其中一個模塊出現故障時整個監控上產生復雜的告警信息，這時就需要更沉著冷靜地進行分析，利用多種手段來快速定位故障點并解決故障，為目前安全要求越來越高的民航事業做好基本的飛行保障。