某雷達(dá)發(fā)射機(jī)高功放驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大問(wèn)題分析與解決

高 鈺，李 婧，石建平，王 龍

（63623部隊(duì)，甘肅 酒泉 735000）

雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)是連續(xù)波高精度測(cè)速設(shè)備的重要組成部分，主要任務(wù)是完成上行射頻信號(hào)的產(chǎn)生、放大、濾波和饋送。高功放分機(jī)是發(fā)射機(jī)的核心部分，主要由供電電路、驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元、功率放大單元（6個(gè)）、功率分配移相器和功率合成耦合檢波器等部分組成，主要完成上行射頻信號(hào)的功率放大、功率控制和信號(hào)濾波等任務(wù)。針對(duì)高功放B機(jī)在閉環(huán)輸出700 W功率時(shí)發(fā)生驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警的現(xiàn)象，通過(guò)分析和測(cè)試，應(yīng)用合理有效的診斷方法，很快發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題原因，并制定了解決措施。經(jīng)過(guò)拆機(jī)維修和整改，高功放驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大告警現(xiàn)象消失，順利通過(guò)了后期各項(xiàng)任務(wù)聯(lián)試和實(shí)施。但在設(shè)備運(yùn)行保障、系統(tǒng)故障排除方面缺乏足夠多的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)此需要在實(shí)踐中不斷加以歸納與總結(jié)。本文將以此次故障的分析和解決探討適應(yīng)測(cè)控雷達(dá)排除故障的一般原則和方法。

1 高功放分機(jī)組成與原理

雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)高功放分機(jī)主要完成規(guī)定要求的功率放大、設(shè)置、調(diào)整和自動(dòng)穩(wěn)定功能，且具有完善的監(jiān)控和安全保護(hù)功能。其分為A機(jī)和B機(jī)，每個(gè)分機(jī)主要組成包括驅(qū)動(dòng)控制模塊、收阻濾波器、功率分配移相器、功率放大單元、功率合成器和雙向定向耦合器等。

高功放分機(jī)工作原理是：射頻激勵(lì)信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大和電平控制后送入功率分配移相器進(jìn)行等幅同相分配，分別送入六路功率放大單元，由功率放大單元進(jìn)行功率放大，最后由功率合成器進(jìn)行功率合成，從而獲得大于700 W的高功率上行射頻信號(hào)輸出。

1.1 驅(qū)動(dòng)控制模塊工作原理

驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元是發(fā)射分系統(tǒng)高功放的重要組成部分，其完成對(duì)上行射頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大、高功放分機(jī)的監(jiān)控功能，包括監(jiān)控組件、驅(qū)動(dòng)控制模塊和電源等部分。

其中，驅(qū)動(dòng)控制模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)上行射頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大和電平控制功能，其組成如圖1所示。上行射頻信號(hào)經(jīng)五級(jí)的功率放大后，達(dá)到規(guī)定要求的功率增益和驅(qū)動(dòng)功率輸出指標(biāo)，完成驅(qū)動(dòng)放大功能；在多級(jí)放大鏈的合適位置串接PIN衰減器、數(shù)控衰減器和模擬衰減器，用以實(shí)現(xiàn)停發(fā)功率、功率設(shè)置、功率調(diào)整和功率穩(wěn)定等整機(jī)功率電平控制功能；同時(shí)，通過(guò)耦合檢測(cè)電路給出驅(qū)動(dòng)功率信號(hào)的監(jiān)視和顯示信息及模塊的故障檢測(cè)信息。

圖1 驅(qū)動(dòng)控制模塊組成框圖

1.2 功率放大單元工作原理

功率放大單元主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)高功放分機(jī)規(guī)定要求的功率放大功能，在前級(jí)驅(qū)動(dòng)放大輸出信號(hào)的基礎(chǔ)上提供足夠高的功率增益和輸出功率。

首先將驅(qū)動(dòng)分路信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)預(yù)放，然后進(jìn)行分路，分路后再進(jìn)行功率放大與合成，經(jīng)耦合、隔離后，最終輸出大于160 W的功率信號(hào)；偏置電路為各級(jí)放大器提供正確的電源供給；耦合檢測(cè)及控保電路能夠?yàn)楣β史糯竽K提供可靠的安全保護(hù)，同時(shí)給出模塊輸出功率、反射功率的監(jiān)視和顯示信息及模塊的故障檢測(cè)信息。

2 高功放驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大問(wèn)題的分析與解決

2.1 問(wèn)題現(xiàn)象及分析

連續(xù)波雷達(dá)高功放B機(jī)在閉環(huán)輸出700 W功率時(shí)發(fā)生驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警。根據(jù)發(fā)射機(jī)工作原理和信息流程，首先檢測(cè)上行射頻信號(hào)功率是否正常，使用功率計(jì)測(cè)量得出輸出正常的結(jié)論。因此，故障定位于高功放分機(jī)內(nèi)部。然后根據(jù)高功放分機(jī)工作原理，繪制故障樹(shù)，故障樹(shù)依據(jù)獲取的故障征兆和故障樹(shù)節(jié)點(diǎn)間的正向邏輯關(guān)系，借助節(jié)點(diǎn)式或門結(jié)構(gòu)表示方法逐層進(jìn)行推理，直到達(dá)到故障樹(shù)根節(jié)點(diǎn)或推理終點(diǎn)為止。如圖2所示。

圖2 連續(xù)波設(shè)備發(fā)射機(jī)高功放B機(jī)閉環(huán)輸出700 W時(shí)驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大告警故障樹(shù)

由故障樹(shù)可知，引起驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警的原因可分為2類。

（1）驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元故障，包括驅(qū)動(dòng)功率檢波器性能下降、輸出功率檢波器性能下降和驅(qū)動(dòng)控制模塊故障，即X1、X2和X3。

（2）單個(gè)或者多個(gè)功率放大單元輸出功率下降，即X4—X9。

第一類原因，由于檢波器和驅(qū)動(dòng)控制模塊整體封裝的原因，無(wú)法從電路原理判斷是否出現(xiàn)故障，故采用替代法判斷是否存在故障。從高功放A機(jī)驅(qū)動(dòng)監(jiān)控單元拆卸檢波器和驅(qū)動(dòng)控制模塊，代換B機(jī)監(jiān)控單元驅(qū)動(dòng)功率檢波器、輸出功率檢波器和驅(qū)動(dòng)控制模塊，設(shè)備開(kāi)機(jī)輸出700 W功率閉環(huán)后故障依舊。通過(guò)替代法，排除引起驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警的第一類原因。

第二類原因，包括單個(gè)或者多個(gè)功率放大單元輸出功率下降，即X4—X9。由于測(cè)試儀器的局限，無(wú)法直接測(cè)量單個(gè)功率放大單元增益值，因此不能直接逐個(gè)排除X4—X9等6項(xiàng)原因。為此，采取間接法進(jìn)行比對(duì)單個(gè)功放單元電流值和輸出功率。

首先，使發(fā)射機(jī)工作在“小信號(hào)B-XXMHz-高功放B機(jī)-負(fù)載”模式下，ALC閉環(huán)輸出功率100 W，記錄此時(shí)各功放單元的電流值，見(jiàn)表1。

表1 高功放B機(jī)閉環(huán)輸出100 W時(shí)各功放單元電流值

其次，采用微波信號(hào)源和頻譜儀測(cè)量單個(gè)功放單元輸出功率值。測(cè)試方法如下：首先將微波信號(hào)源信號(hào)E4428C輸出端口連接至六分路器輸入端的濾波器信號(hào)輸入口，將高功放B機(jī)功率合成正向耦合輸出，端口連接至頻譜儀AV4032B信號(hào)輸入口，線纜連接如圖3所示；然后設(shè)置微波信號(hào)源E4428C輸出信號(hào)頻率為XXMHz，功率大小值為20 dBm，依次開(kāi)啟單個(gè)功放單元，記錄單個(gè)功放單元工作條件下的耦合口功率測(cè)試值，見(jiàn)表2。注：信號(hào)源連接電纜衰減大約2.1 dB，頻譜儀連接電纜衰減

圖3 單個(gè)功放單元輸出功率測(cè)量線纜連接圖

表2 高功放B機(jī)單個(gè)功放單元工作條件下正向耦合口功率測(cè)試值

大約3 dB，功率合成正向耦合口衰減50.45 dB。

從表1可知，高功放B機(jī)閉環(huán)輸出100 W時(shí)功放單元B5工作電流值最小；從表2可知，功放單元B5輸出功率測(cè)試值同樣為最小，由此判斷功放單元B5存在故障的可能性非常大。

功放單元B5內(nèi)部微帶電路原理如圖4所示。圖中，A1為12 W固態(tài)功放模塊，A2、A3、A4、A5和A6為60 W固態(tài)功放模塊。A1和A2將驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)預(yù)放，然后進(jìn)行分路，分路后再由A3、A4、A5和A6進(jìn)行功率放大與合成，經(jīng)耦合、隔離后，最終輸出160 W的功率信號(hào)。由表1和表2結(jié)果可知，固態(tài)功放模塊A1和A2不存在問(wèn)題，否則無(wú)法輸出功率；另一方面，功放單元B5電流值和輸出功率最小，懷疑固態(tài)功放模塊A3、A4、A5和A6其中某一個(gè)或者幾個(gè)出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。因此，需要檢查固態(tài)功放模塊A3、A4、A5和A6是否存在問(wèn)題。

圖4 功率放大單元B5內(nèi)部微帶電路原理圖

拆開(kāi)高功放B機(jī)功放單元B5抽屜，打開(kāi)內(nèi)部微帶電路蓋板，立即聞到電路燒焦的氣味，固態(tài)功放模塊A4輸出管腳處微帶電路板被灼燒變黑，輸出管腳與微帶線斷路；固態(tài)功放模塊A3、A5、A6輸出管腳焊錫不同程度存在汽化、燒黑、不規(guī)則變形現(xiàn)象，如圖5所示。固態(tài)功放模塊A4輸出管腳與微帶電路斷路，從而使功放單元B5電流小和輸出功率偏小。至此，可確定功放單元B5輸出功率下降（X8）為驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大告警原因之一。

圖5 高功放B機(jī)功放單元B5抽屜實(shí)物圖

經(jīng)過(guò)拆機(jī)，確定了高功放B機(jī)驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警的原因：功放單元B2、B3、B4和B5內(nèi)均存在一個(gè)固態(tài)功放模塊輸出管腳斷路，造成4個(gè)功放單元輸出功率下降，從而引起高功放B機(jī)閉環(huán)輸出700 W功率時(shí)驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大報(bào)警。

分析固態(tài)功放模塊輸出管腳焊點(diǎn)處斷路以及焊錫不同程度存在汽化、燒黑、不規(guī)則變形現(xiàn)象的原因，主要是由于溫度過(guò)高。而引起溫度過(guò)高的原因主要有2方面。

一方面是器件設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)缺陷：60 W固態(tài)功放模塊A3、A4、A5和A6均為TIM5359-60SL，該模塊輸出管腳寬度僅為0.7±0.05 mm，厚度為0.1±0.05 mm，管腳橫截面積約為0.07 mm2，輸出管腳焊點(diǎn)橫截面過(guò)小且散熱不良導(dǎo)致焊點(diǎn)自身熱阻較大；固態(tài)功放模塊長(zhǎng)時(shí)間工作在12~16 A的大電流條件下，焊點(diǎn)熱量不斷聚集，溫度急劇上升，當(dāng)溫度超過(guò)200℃時(shí)將導(dǎo)致管腳處焊錫發(fā)生汽化、燒黑、不規(guī)則變形甚至斷路現(xiàn)象。

另一方面是焊接工藝問(wèn)題：焊接是電子產(chǎn)品組裝過(guò)程中的重要工藝。焊接質(zhì)量的好壞，直接影響電子電路以及電子裝置的工作性能。固態(tài)功放模塊輸出管腳寬度和厚度均非常小，當(dāng)電路連接時(shí)出現(xiàn)虛焊、焊接溫度過(guò)高或者過(guò)低都有可能使焊點(diǎn)質(zhì)量變差，從而增加焊點(diǎn)的熱阻。當(dāng)固態(tài)功放模塊長(zhǎng)時(shí)間大電流工作時(shí)，熱量不斷聚集，焊點(diǎn)溫度急劇上升，會(huì)導(dǎo)致管腳處焊錫發(fā)

生汽化、燒黑、不規(guī)則變形甚至斷路現(xiàn)象。

2.2 解決措施

經(jīng)過(guò)綜合分析與解決，高功放B機(jī)在閉環(huán)狀態(tài)輸出700 W功率時(shí)驅(qū)動(dòng)功率正常，故障現(xiàn)象消失，解決措施如下。

（1）更換功放單元被灼燒斷路的微帶電路板以及相應(yīng)的固態(tài)功放模塊，掌握過(guò)程關(guān)鍵項(xiàng)控制，提高設(shè)備檢修工作效率。

（2）使用脫脂棉蘸酒精擦拭所有固態(tài)功放模塊輸入輸出管腳焊錫，優(yōu)化焊接工裝，提高焊接一致性和穩(wěn)定性。

（3）測(cè)試檢查各功率放大單元固態(tài)功放模塊線電路狀態(tài)良好情況，并定期進(jìn)行檢查維護(hù)，加強(qiáng)技術(shù)技能，提高解決故障能力。

采用故障樹(shù)的節(jié)點(diǎn)式知識(shí)表示方法和過(guò)程推理機(jī)制處理了設(shè)備的故障，也有了一定的思路和解決問(wèn)題的決策。故障樹(shù)分析法和故障診斷方法，對(duì)于解決故障問(wèn)題，得到了充分的應(yīng)用。因此，對(duì)于測(cè)控雷達(dá)故障診斷問(wèn)題來(lái)說(shuō)，故障排除的一般原則和方法是十分必要的。

3 測(cè)控雷達(dá)故障排除的一般原則和方法

3.1 故障排除的一般原則

雷達(dá)設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)發(fā)生各種各樣的故障。雖然故障的發(fā)生存在偶然性，似無(wú)規(guī)律可循，但是無(wú)論多么復(fù)雜的故障都有其發(fā)生的機(jī)理及原因，這是其必然的一面。因而，總結(jié)故障發(fā)生及排除的一般規(guī)律，對(duì)于快速定位和排除故障、不推遲任務(wù)程序有著很重要的意義。對(duì)排除故障而言，好的分析方法就意味著成功了一半。因此在雷達(dá)驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大問(wèn)題排除實(shí)際故障時(shí)，根據(jù)高功放的工作原理和崗位工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)遵循“先狀態(tài)后設(shè)備”“先電纜后儀器”“先外圍后核心”的一般性故障排除原則，也是故障定位與分析過(guò)程中的一般性原則。

（1）先狀態(tài)后設(shè)備。所謂“先狀態(tài)后設(shè)備”，是指故障現(xiàn)象發(fā)生后，應(yīng)首先檢查設(shè)備狀態(tài)參數(shù)設(shè)置是否正確、操作動(dòng)作是否失誤、時(shí)機(jī)是否恰當(dāng)和面板狀態(tài)是否正常等，然后再檢查設(shè)備是否出現(xiàn)故障。也就是說(shuō)，故障的分析與定位應(yīng)先排除人為及外部因素。當(dāng)確定人為及外部因素?zé)o影響時(shí)，再分析設(shè)備相關(guān)部件。

（2）先電纜后儀器。在確定無(wú)人為失誤的情形下，若故障依舊，應(yīng)先對(duì)電纜插接情況進(jìn)行檢查，無(wú)誤時(shí)再對(duì)儀器工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。多次故障原因分析表明，相當(dāng)一部分故障是由電纜插接方面的原因引起的，均是通過(guò)對(duì)電纜、插頭插接情況進(jìn)行更正得以排除。

（3）先外圍后核心。所謂“先外圍后核心”，是指將故障分為外圍設(shè)備和核心設(shè)備兩部分來(lái)分步查找原因，即發(fā)生故障時(shí)先對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行檢查，這包括外圍控制保護(hù)電路、電源和電纜接口等，若依舊未能發(fā)現(xiàn)故障原因，則進(jìn)一步從核心設(shè)備本身查找原因。此處將故障一分為二，是因?yàn)閺脑O(shè)計(jì)可靠性角度上講，核心設(shè)備各部件質(zhì)量要求較外圍設(shè)備高。

3.2 故障排除的方法

由于雷達(dá)設(shè)備是一個(gè)集機(jī)械、電子和電氣等一體化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因而可能會(huì)出現(xiàn)各種突發(fā)故障，需要在最短時(shí)間內(nèi)探明原因并排除，為了做到這一點(diǎn)，除了熟悉整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，再結(jié)合上述故障排查處置方法，進(jìn)行綜合歸納與總結(jié)，為圓滿完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)打牢基礎(chǔ)。

（1）例推法。例推法也叫倒推法，即通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象的分析來(lái)查找故障原因。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是故障現(xiàn)象明確、分析思路清晰直觀。

如某設(shè)備進(jìn)行指示單元檢查時(shí)，控制面板上的“A、B”燈全部不亮，加電無(wú)法開(kāi)啟該單元設(shè)備。從電路原理分析得知，以上兩個(gè)現(xiàn)象同時(shí)說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題，即該單元設(shè)備電源無(wú)輸出，需要檢查該電源輸入是否正常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)管燒壞，更換后所有指示燈恢復(fù)正常，設(shè)備加電開(kāi)啟正常。

（2）排除法。排除法就是對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行列舉，排除掉導(dǎo)致故障可能性較小的原因，逐步對(duì)故障進(jìn)行定位。這種方法是故障原因查找時(shí)較為常用的一種方法，因?yàn)槟硞€(gè)故障的發(fā)生往往可能是多個(gè)原因?qū)е碌模謩e對(duì)這些原因加以確定的難度往往也是不一樣的，某些原因通過(guò)更換備件或備機(jī)來(lái)確定，某些原因也可通過(guò)對(duì)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量來(lái)確定。通過(guò)對(duì)所有可能原因的逐一分析找出可能性較大的。為了直觀及分析方便，亦可畫(huà)出故障樹(shù)來(lái)對(duì)所有原因進(jìn)行甄別。

（3）替換法。通過(guò)用插件板、儀器、備件或整臺(tái)儀器來(lái)更換故障相關(guān)配件，結(jié)合故障機(jī)理分析，加速故障定位。相關(guān)器件的更換可考慮采取“先易后難”“先電纜后儀器”“先外圍后核心”“先整體后部分”的原則，逐步縮小可能故障原因范圍。當(dāng)故障原因不明確，存在的疑點(diǎn)較多時(shí)，這種方法是簡(jiǎn)單、有效且快捷的故障定位方法。

（4）試探法。試探法是指為獲得足夠的故障相關(guān)信息，而對(duì)故障相關(guān)項(xiàng)目和內(nèi)容有目的、有選擇地加以測(cè)試，從而確定故障點(diǎn)的一種方法。在分析排除故障時(shí)，若是故障相關(guān)信息較少會(huì)使故障分析顯得困難。此種情況下，有計(jì)劃地對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試和試探，獲取和掌握更多的故障信息，為故障分析提供信息支撐。

故障的處置依情形而定，沒(méi)有固定的模式。通常情況下，按應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行處置。而應(yīng)急預(yù)案之外的情形下處置故障：若是故障會(huì)對(duì)儀器和設(shè)備造成損害，應(yīng)立即斷電。若非則首選保持狀態(tài)以觀察和記錄。

4 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)設(shè)備是基地航天任務(wù)重要的測(cè)控設(shè)備之一。雷達(dá)的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到任務(wù)成功與否。雖然順利排除了此次雷達(dá)發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)功率過(guò)大問(wèn)題，圓滿完成了后期的所有任務(wù)，但在后續(xù)工作中仍然要結(jié)合高功放驅(qū)動(dòng)功率值、ALC閉環(huán)電壓值、各功放單元電流值以及功放單元正反向耦合功率值，加強(qiáng)對(duì)發(fā)射機(jī)各功放單元狀態(tài)的監(jiān)視，運(yùn)用日常積累的工作經(jīng)驗(yàn)，掌握一定的技巧和方法才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題隱患并及時(shí)排除故障，使設(shè)備更快地恢復(fù)正常運(yùn)行，確保各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)圓滿完成。