中頻通道故障檢測與改進措施

王媛，高俊姣

（南京電子技術研究所，江蘇南京， 210039）

0 引言

接收機是雷達系統中重要的組成部分，其性能的優劣直接影響雷達整體的探測性能。雷達接收機的主要任務是將天線接收到的微弱回波信號從噪聲中提取出來，經過放大和濾波之后傳輸給信號處理等設備[1]。本文選用的雷達接收機主要由前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件組成。前端放大組件的作用是將天線接收到的微弱射頻回波信號進行放大處理，之后送給高頻通道組件；高頻通道組件將放大的射頻回波信號與本振信號進行混頻處理，下變頻為中頻信號送給中頻通道組件；中頻通道組件負責將高頻通道組件送來的中頻信號進行濾波放大處理；最后送給中頻采樣進行數字采樣。接收機工作時，出現A路報故現象。現場通過更換前端放大組件、高頻通道組件和中頻通道組件進行故障排查，最終定位中頻通道組件出現故障。

1 中頻通道工作原理

中頻通道工作原理框圖如圖1所示。

圖1 中頻通道工作原理框圖

中頻通道主要由4只濾波功分模塊、1塊電源濾波板及若干電纜組成，共有四路通道，分別為A路通道、B路通道、C路通道和D路通道，并且四路通道的輸入和輸出是相互獨立的。每路通道輸入信號經過一只濾波功分模塊進行濾波、放大和功分處理，輸出信號送給下一級中頻采樣組件進行數字采樣；電源濾波板對接口電源進行濾波，分為四路送給4只濾波功分模塊。

2 故障檢測

中頻通道故障件返回后，對故障進一步定位。常溫時，該中頻通道組件工作正常，考慮到故障時天氣比較炎熱，故將中頻通道放入試驗箱進行高溫試驗，分別對A路和D路輸出信號功率進行比較測試。

■2.1 中頻通道故障檢測

根據中頻通道工作原理框圖得出中頻通道故障由電源故障、電纜故障和濾波功分模塊故障組成，列出中頻通道故障樹如圖2所示。

圖2 中頻通道故障樹

排查步驟如下：

(1)電源故障：四路通道通過電源濾波板分別供電，只有A路出現故障，其余B路、C路和D路工作正常，打開中頻通道蓋板，交換A路和D路供電電纜，故障現象不轉移，因此排除電源故障。

(2)電纜故障： 打開蓋板，斷開A路濾波功分模塊裝機的射頻輸入、輸出電纜，用調試電纜接到A路濾波功分模塊輸入、輸出端，進行高溫升溫及保溫約一個小時試驗測試，升溫時測試A路輸出功率存在偶爾減小12dB情況，測試D路輸出功率一直穩定正常，因此排除裝機電纜故障。

(3)濾波功分模塊故障：在升溫過程中在40度左右時出現A路輸出頻譜偶爾不穩定跳動現象，功率減小12dB左右，后保溫50度時工作穩定；D路輸出一直穩定正常。因此確定A路濾波功分模塊存在偶發故障情況。

通過上述檢測，中頻通道A路輸出信號功率偶爾異常是由于A路濾波功分模塊偶發故障引起。

■2.2 濾波功分模塊故障檢測

濾波功分模塊電路圖如圖3所示。射頻信號依次經過VGA可變增益放大器[2]、移相器、濾波器、兩級定向耦合器后輸出。VGA可變增益放大器和調節增益電位器組成VGA放大器單元，移相器和調節相位電位器組成移相器單元，兩級定向耦合器和故障檢測器組成定向耦合器單元。濾波功分模塊信號流程圖如圖4所示。

圖3 濾波功分模塊電路圖

圖4 濾波功分模塊信號流程圖

濾波功分模塊內部VGA放大器單元、移相器單元、濾波器和定向耦合器單元任何一級出現問題，皆有可能導致濾波功分模塊出現故障現象，根據信號流程圖采用逐級探測法進行分析排查。濾波功分模塊故障樹如圖5所示。

圖5 濾波功分模塊故障樹

在濾波功分模塊射頻輸入端用信號源加入中頻信號，進行了故障復現，故障復現時，通道增益降低12dB。用頻譜儀逐級探測VGA放大器單元輸出、移相器單元輸出、濾波器輸出和定向耦合器單元輸出信號，觀測哪一級輸出增益存在異常。當測試VGA放大器單元輸出增益時，發現VGA放大器單元增益降低，比正常值低12dB，與整個通道增益降低值一致；移相器單元、濾波器、定向耦合器單元增益正常。因此，定位VGA放大器單元故障，排除移相器單元、濾波器、定向耦合器單元異常。

■2.3 VGA放大器單元故障檢測

VGA放大器單元由VGA可變增益放大器和可調增益電位器組成。VGA的增益由電位器調節控制電壓調節，在此情況下測試了電位器輸出控制電壓為1.12V，該電壓值比正常輸出低，正常模塊該電壓為1.20V左右。

將故障電位器取下，焊接在正常濾波功分模塊上進行測試，同樣出現模塊通道增益不穩定情況，問題復現。將故障模塊的故障電位器進行更換，更換一只好的電位器，進行反復試驗，未再出現增益降低現象。

通過上述試驗分析，問題定位于VGA放大器單元的增益控制電位器故障。

為了確定電位器失效的具體原因，將失效的電位器寄往廣州電子五所（賽寶分析中心）進行失效分析。電子五所對該電位器進行失效分析，分析報告顯示：發生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區域有異物粘附且異物C、O含量偏高，引起電刷接觸不良，阻值跳變。

綜上所述，由于中頻通道濾波功分模塊內部電位器故障導致接收機報故。

3 機理分析與改進措施

■3.1 機理分析

濾波功分模塊內部VGA[3]放大器單元原理圖如圖6所示，VGA放大器的增益由電位器輸出的電壓進行調節，電位器[4]控制電壓原理圖如圖7所示。當電位器輸出電壓VC（見公式1）減小時，VGA放大器增益即會隨之減小。

圖6 VGA放大器單元原理圖

圖7 電位器控制電壓原理圖

公式1：VC=(R2/(R1+R2))×VCC-IC×RS

其中，IC為VGA放大器控制端電流，RS為電位器接觸電阻[5]，當電位器電刷與電阻基板接觸不良或者壓力不均勻時，會導致接觸電阻RS變大，VC將隨之減小，VGA放大器增益減小，與故障現象表現一致。

濾波功分模塊內部電位器選用的是成都國盛3296W型多圈電位器，結構圖如圖8所示。當確定電位器故障后，將故障現象通報了電位器廠家，電位器廠家結合自身經驗，初步得出的結論為：(a)可能是員工在組裝過程中用力不當，導致電位器電刷受壓變形，接觸壓力不均勻，使得產品在使用過程阻值不穩定。(b)可能是產品電刷上有氧化物，造成電刷滑動過程中與電阻基板接觸不良，導致阻值不穩定。經過廠家品管判斷，該不良產品系個別現象。

圖8 電位器結構圖

將失效的電位器寄往廣州電子五所（賽寶分析中心）進行失效分析，根據電子五所分析報告反饋，發生阻值跳變是因為電阻膜和電刷表面局部區域有異物粘附且異物C、O含量偏高，引起電刷接觸不良，阻值跳變。失效模式是含有C、O的物質在一定區域內堆積后導致電位器的阻值跳變。

在進行溫度試驗時，由于溫度變化電位器的電刷可能會有輕微滑動，當電刷滑動到堆積處時，由于堆積處含有大量的C、O的物質，導致電刷接觸不良，阻值產生跳變，影響電位器輸出阻值的穩定性。

濾波功分模塊生產廠家為中國電子科技集團公司第二十四研究所，所有交付產品均按詳細規范進行篩選、考核，至今已經交付2000余只，同電位器使用4000余只（每個模塊使用兩只），共發現4只電位器失效。

對中頻通道故障糾正如下：

（1）更換A路故障濾波功分模塊，經過低溫-40℃并保溫2小時工作，高溫50℃并保溫2小時工作，中頻通道組件一直穩定工作。

（2）接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

■3.2 改進措施

由于電位器內部含有C、O的物質在一定區域內堆積，電阻膜和電刷表面局部區域有異物粘附，導致電刷與電阻基板接觸不良，電位器的阻值發生跳變，造成中頻通道工作不穩定，最終導致接收機報故。

在濾波功分模塊的調試期間，可以用一字起將電位器的調節帽先順時針旋轉幾圈，之后再逆時針旋轉幾圈，使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中，不造成堆積，降低中頻通道組件出現故障的概率，從而提升產品質量，節約排故時間，提高工作效率。

同理，涉及含有可調節增益的電位器或可調節相位的電位器組件時，也要充分考慮到由于電位器調節不到位，內部有異物堆積，導致電位器阻值發生跳變，造成組件工作不穩定的故障發生。

為避免相似問題的出現，在單位內部進行人員培訓，要求今后在調試裝有電位器的組件時，用一字起將電位器的調節帽分別順時針和逆時針旋轉幾圈，使異物能夠滑動到電阻絲的縫隙中，避免異物堆積導致電刷接觸不良阻值跳變，確保電位器輸出阻值穩定，組件工作正常。

4 結論

本文從雷達接收機組成出發，根據中頻通道和濾波功分模塊工作原理，依次對中頻通道故障、濾波功分模塊故障、VGA放大器單元故障進行檢測，得出中頻通道濾波功分模塊內部電位器故障導致接收機報故。

對中頻通道故障進行糾正，更換故障濾波功分模塊，進行低溫-40℃和高溫50℃并保溫2小時工作試驗，中頻通道組件一直穩定工作；接收機更換驗收合格的中頻通道組件。

針對電位器故障采取改進措施，用一字起將電位器的調節帽先順時針旋轉幾圈，之后再逆時針旋轉幾圈，避免異物堆積在一起產生電位器阻值跳變，減少后續出現相似問題的可能，從而提升產品質量，縮短調試周期，提高工作效率。