714CDN―K天气雷达发射机系统故障案列分析
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摘 要：文章介绍新一代C波段多普勒天气雷达-714cdn-K的发射机系统的工作原理。针对发射机系统发生的一次故障，进行详细分析、故障定位，并研究给出了它的维修过程。本文从三个方面进行分析：电源通道、控制通道、信号通道，成功实现了故障的定位与维修。本次案例分析对雷达设备保障人员具有一定的借鉴意义，帮助他们在更短的时间内排除故障，保障雷达正常运行。
关键词：714CDN-K；发射机；分析；故障定位与维修
中图分类号：P415.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0083-02
Abstract：This paper introduces the working principle of transmitter system on new generation C-band doppler weather radar-714CDN-K.Aiming at a failure on the transmitter system， a detailed analysis and fault location are carried out. Then， its failure maintenance is researched and pointed out. This paper analyses from three aspects： power channel， control channel， signal channel，achieving the fault location and maintenance successfully. This case analysis provides reference for radar equipment maintenance personnel， helping them eliminate failure in short time and ensuring normal operation of the radar.
Key words：714CDN-K； transmitter； analysis； fault location and maintenance
1 引言
714CDN-K型天气雷达属于C波段全相参多普勒天气雷达，架设在机场周边，能及时提供各区域准确的各种常规天气预报和特殊天气预报，保证飞机起飞、着陆和航行的安全。在民航气象应用中，是复杂天气下保障飞行安全的重要设备之一，为航空气象人员和航空管制人员在复杂天气下保障飞行安全提供了重要的依据[1]。
雷达发射机系统是雷达系统重要的分系统，由于机内大量器件长期工作在大电流、高电压环境下，相比其它分系统更容易出现故障。本文从发射机系统原理入手，详细从电源通道、控制通道、信号通道分析一次发射机故障，实现故障定位与维修。
2 系统基本工作原理
714CDN-K型天气雷达发射机系统采用全相参体制，固态射频功率放大器推动高增益速调管构成主振放大式发射机。发射机系统由回扫电源、可控硅、速调管、功放、灯丝电源、钛泵电源、偏磁电源、风冷系统、监控分机等组成，其组成框图如图1所示[2，3]。
高功率电源对380V的交流供电进行整流，经过LC滤波形成回扫电源工作所需的510V直流电源。回扫电源在充电脉冲的控制下通过充电二极管对人工线充电，当有放电脉冲时，人工线上储存的能量通过SCR变压器放电，在脉冲变压器上形成速调管所需的脉冲波形。同时由频率综合器提供的的射频激励信号在经过可调衰减器和功放放大后送至速调管，再通过调节可调衰减器使速调管达到最佳激励状态。偏磁电源为速调管提供聚焦磁场，钛泵电源保证速调管内真空度，灯丝电源提供速调管所需的灯丝脉冲[4，5]。
3 故障现象
雷达实时回波突然消失，检查雷达数据采集监控软件，各模块状态灯均正常，但机载功率计上发射机发射功率为0KW，开高压工作时没有听到刺耳的高压声音，初步判断为发射机故障。检查发射机系统所有分机，发现整流分机600V量程的直流电压表始终处于满偏状态。
4 故障分析与维修
发射机故障可能是内部元件故障，也可以是电源故障导，或者是激励信号源异常导致。由于可能性多，一般按照从源头向故障部位方向逐一检查原则进行排故，但是这种方法效率低，需要耗费大量时间。本文引入雷达三通道研究方法，即从电源通道、控制通道、信号通道来快速定位故障、维修故障。
4.1 电源通道检查
电源通道检查，首先要明确发射机系统包含哪些电源，如UPS输入主电源，调制机柜中高功率电源、回扫电源，高频机柜中功放电源、灯丝电源、偏磁电源、钛泵电源、风冷电源等。再通过电表表头或仪表检查电源是否在正常范围内。
市电经过UPS处理后，输出A、B、C三相220V电至雷达主电源柜，通过空气开关、熔断器后送入雷达机内供电，测量三相电压均为220V，正常。功放将频率综合器送出的微波射频信号进行放大，然后送至速调管，如果功放电源不正常，则会导致功放不能够正常工作，进而速调管缺少必要的激励，也不能够正常工作，测量功放源为12.1V，正常。钛泵电源为钛泵提供工作电源，保证速调管在工作时内部的高真空度，减少管体发热量，延缓速调管使用寿命，从电流计表头上读取钛泵电源为3100V，10μA，正常。偏磁电源和灯丝电源均是为高变比脉冲变压器提供电源，从电流计表头上看到灯丝电源电压为180V，灯丝电流为0.6A，偏磁电源电压11.74V，偏磁指示灯为绿色，均正常。整个发射机仅有高功率电源异常，电压表头为满偏状态，而正常值为510V。整流分机电路原理图如图2所示。
整流分机基本工作原理：来自配电箱的三相电在软启动延时后，经过熔断器、继电器、SQL14-10高速三相整流桥模块及其保护电路、熔断器、滤波稳压电路后输出510V的直流电。PV1为量程600V直流电压表。稳定的直流510V电直接输出送给充电控制分机。
雷达在加高压下，测量高速整流桥输入端，AC1、AC2、AC3均为220V交流输入，经过整流桥后，测量整流桥输出端，负极0V，正极数值不停跳变，怀疑整流桥故障。取出熔断器FU4，断开负载，再测量整流桥输出负极0V，输出正极510V，正常。因此确定导致表头满偏故障在负载端，负载为电容、电阻组成的RC滤波电路，未见异常，而熔断器是连接负载的桥梁，测量熔断器电阻为3MΩ，正常值为10Ω，出现不完全熔断，更换新的熔断器后整流分机直流电压表头恢复正常，电源通道故障排除。但是加高压后，雷达仍然不能够正常工作，需检查另外两个通道。
4.2 控制通道检查
雷达发射机控制通道繁多，如控制充电、放电的充电脉冲、放电脉冲，控制充放电时间的充电控制板，控制回扫电源能量转换到充电变压器次级的线性调器，控制微波链路输入的功放分机及其可调衰减器等。
首先检查雷达系统的定时信号，该信号输送给充电控制板，在板上生成1us或2us的定时信号，用示波器测量波形如图3，正常。
由于充控制板输入信号比较多，为了尽快定位故障，采用替代法，更换一块正常的充电控制板，给雷达加高压，故障未恢复。接着检查IGBT驱动板及IGBT模块，它们是控制雷达充电的大功率核心部件。图4为回扫充电原理图，V1、V2为IGBT模块，V1型号是SKM200GAR123D，V2型号是SKM200GAL123D。测量IGBT驱动板输入和输出端波形正常。
IGBT是MOSFET和双极晶体管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，拥有MOSFET易驱动和双极晶体管电压、电流大等优点。IGBT由栅极G的电压来控制开通或截止，当加上正栅极电压时，绝缘栅下形成沟道，MOSFET导通，为PNP晶体管提供了基极电流，从而使IGBT导通，当加上负栅极电压时，IGBT处于截止状态。它有三个电极，分布是G、C、E极，G极跟C，E极绝缘，C极跟E极绝缘。用万用变测量发现其中一个IGBT的C极和E极正反向电阻一致，可能被击穿，更换新的IGBT后，加高压雷达可以正常工作[7，8]。
4.3 信号通道检查
通过对雷达的发射机的电源通道和信号通道进行的检查维修后，高功率电源分机正常输出510V直流电源，脉冲变压器给速调管提供工作所需的功率。最后检查发射机信号通道是否正常。整个发射机的任务就是输出一个包络为1us或2us脉宽、功率为250KW左右的微波信号，因此直接使用示波器测量速调管输出信号包络波形和功率。在连接速调管输出端的波导管侧壁上耦合孔处加上30dB衰减头，实测23.91dBm，脉宽0.988μs，上升时间35ns，下降时间10ns，波形如下图5所示。耦合孔铭牌上写有5420MHZ对应30dB衰减，以此计算出发射机功率为83.91dBm，即246KW，信号通道检查正常。给雷达加高压，观察雷达回波正常。
5 结语
通过本次雷达发射机系统故障维修，进一步熟悉了发射机系统以及其内部核心模块的工作原理、功能、参数和系统整体信号走向。发射机系统故障复杂多样，平时维护中应主动进行防御性维护，做好灰尘清洁、参数记录、定期重启[9]。发生故障后，按三通道方法测量分析往往可以获得事半功倍的效果。
参考文献
[1]七八四厂.714CDN-K型全相参多普勒天气雷达技术说明书[M].成都：七八四厂，2007.
[2]七八四厂.714CDN-K型全相参多普勒天气雷达电原理图册[M].成都：七八四厂，2007.
[3]七八四厂.714CDN-K型全相参多普勒天气雷达使用及维护说明书[M].成都：七八四厂，2007.
[4]王文，关涛，李毅，等.714CDN天气雷达发射系统原理及常见故障分析与处理[J].内蒙古气象，2004，3：49-50.
[5]柴秀梅，潘新民，汤志亚，等.CINRAD/SB发射机系统故障定位方法与技巧的研究[C].气象雷达技术论文集，2011：111-112.
[6]王刚.与回扫充电相关的714CDN天气雷达高压故障分析[J].气象水文海洋仪器，2013，30（3）：78-81.
[7]梁钊扬，舒毅，吴国锐，等.CINRAD/SB雷达回扫充电电路中IGBT的损坏成因及其判定方法[J].气象水文海洋仪器，2013，30（4）：103-106.
[8]梁华，任京伟，刘永强，等.新一代天气雷达（CINRAD/CC）发射系统典型故障分析与处理[J].干旱气象，2013，31（3）：622-625.
[9]李珂.多普勒天气雷达的日常维护及故障维修[J].科技与创新，2015，9：153.