CINRADSA-SB雷达高频放大链前级组件故障诊断系统设计与实施

第48卷第6期 2020年12月
气象科技
M E T E ()R ()L()(；ICAL SCIENCE AND T E C H N ()L()(；Y
Vol . 48,No . 6 Dec . 2020
CINRAD /SA -SB 雷达高频放大链前级组件
故障诊断系统设计与实施
杨奇1
李传柱2
(1河南省气象探测数据中心，郑州4500.03; 2..河南省信阳市气象局，信阳464000)
摘要根据S 波段新一代天气茁达高频放大链前级组件中:要功能校块间态放大器和射频脉冲形成器的内部结构 以及丁.作原理和维修需要.设汁了一套支持同态放大器和射频脉冲形成器组件测试1 j 维修诊断系统。

此系统详细 阐述r 设计的流程.主要包括硬件.电源.电路接n .控制逻辑和W 小•电路等设计.为测试维修丨A 1态放大器和射频脉 冲形成器提供所需的各种电lli 、控制信号、时序逻辑信号等.满足对间态放大器和射频脉冲形成器故障的电路信号 测试.判断故障点及元器件,，系统以直接输出故障指不的方式快速完成测试及故障定位，从而确保维修人员的人 身安仝和雷达设备不受二次损坏.保证了雷达故障修复的时效忭》关键词新一代天气雷达；间态放大器；射频脉冲形成器：故障诊断
中图分类号：P 412. 25 丨)(>丨：10. 19517,/j . 167卜6345. 2019051 1 文献标识码：A
引言
随着我国的天气雷达技术的快速发展.对天气 雷达的测试与维修时效提出r 史高的要求，单纯依 靠雷达生产厂商的维修保障已不能满足天气雷达在 复杂天气条件下全天候运行.为此中国气象局已着 手准备建立国家级、省级.台站级的维修测试系 统111。

b 前国内针对天气雷达高频放大链维修基 本采用代替法.利用在生产厂家调试好的组件进行 更换来修复.这样成本高•调整时间长，修复时效性 慢
‘'。

本文设计了一种支持对s 波段新一代天气 雷达（以下简称SA /SB )前级组件（包含固态放大器 不 11脉冲形成器）维修与测试的快速诊断系统.该诊断 系统主要为发射机前级组件提供所需的各种电压、 控制信号、时序逻辑信号.满足对前级组件的测试电 路信号需求。

该系统采用r 机外脱机测试方法对有 故障的组件或者电路进行检杏和吋序测试.判断故 障元器件.从而确保维修人员的人身安全和雷达设 备不受二次损坏。

系统采用迕接输出故障指示的方 式快速测试.保证了雷达修挺吋效性。

在没有整个 组件备件的情况下可以更换故障元器件以达到快速
修复故障的目的。

对于雷达维修起到高效快捷的作 用.同时可以极大地节约维修成本。

1
CINRAD /SA -S B 高频放大链前级的组成和信号流程间态放大器、射频脉冲形成器、可变衰减器、速
调管放大器构成了发射机的核心部分-高频放大 链’;11。

接收机频率源输出到间态放大器的射频脉 冲功韦.经由固态放大器放大输出到射频脉冲形成 器进行脉冲整形输出.最后提供给速调管放大。

间 态放大器和射频脉冲形成器是高频放大链前级最主 要的两个组件。

两组件信号流程如阁1所示。

图〗放大链前级信号流程
接收机频率源输出的功书约m W .脉冲宽度 约8.3
的射频脉冲倍号、经由间态放大器XS 2端
口输人.通过10 d B 定向耦合器.送至微波开关进行 套保护，保护输出后经3级功率放大（分别为5 W
http ： w w w . qxkj. net. cn .气象科技
闻家重点研发计划（2018YFC1506丨00、2018YFC1506102)资助
作者简介：杨奇，男• 1984年生.丨:程师•硕士，从事天气雷达技术保障.E m a i l : 20683513@ (丨q. c o m
收稿R
期：2019年
11月19日；定稿H
期：2020年
5月18
日
第6期杨奇等：('INRAD /SA -S B 雷达高频放大链前级组件故障诊断系统设计与实施809
微波放大器A l 、20 W 微波放大器A 2、75 W 微波放 大器A 3),最终经30 d B 定向耦合器（X S 4)端U 输 出至射频脉冲形成器，输出为约48 W 的射频信号。

各级微波放大器之间为了避免反射.从而影响 各级之间的T 作.在级联间采用隔离器进行防干扰 处理。

套保护主要是当输人射频信号为连续波时. 经微波开关脉冲闸n 信号保护后输出为脉冲调制信 号，间态放大器输出功率性能指标为大于45 W 。

射频脉冲形成器将固态放大器输出的18 W
射
频信号经隔离器输出后至一分二的功分器，冉分別 送至两路微波开关进行调制，最后将两路信号经由 功率合成器合成.通过隔离器和20 d B 定向耦合器 输出送至可变衰减器。

射频脉冲形成器由于对射频信号进行了功分、 调制、合成，功率下降了 3 d B 左右.大约在24 W 左 右（性能指标大于7 W )。

两路微波开关调制信号由 射频脉冲形成器驱动板提供.在驱动板中对脉冲包 络的宽度、上升时间、下降时间和频谱宽度均做出了 调整.达到输出合理要求。

前级脉冲包络的件能参 数也基本决定了整个发射机包络、频谱的性能。

1. 1
固态放大器
1.1.1固态放大器组成
固态放大器主要包含控制板（A 1 )、定向耦合器 (('1)、微波开关（31)、5\¥微波放大器（八1)、隔离器 (II)、20 W
微波放大器（A 2)、75 W
微波放大器
(A 3)、定向耦合器(C 2)。

控制板包含差分接收（U 1)、 脉宽调整⑴2)以及直流电汛转换（U 3〜U 7)。

具体电H ((正常范围为35〜38 V )。

①5 W 微波放大器
(A l )+8 V 供电电压为+ 8 V 脉冲（脉冲幅值在5 〜8 V 内），幅度太高会致A 1模块损坏，脉冲宽度 必须大于20 p ，太小会致接收机送至的8 p
信号
后端不在+ 8 V 脉冲内。

②电压转换集成电路7905 输出一5 V 电压至A 1.无此电压贝i j A 1无功率输出。

(3)
固体放大器维修关键点：①+ 8 V 脉冲幅度
在5〜8 V 内，脉冲脉宽大于20 p s 。

②A 1功率放大 器的输出必须大于3 W .如果A 1功率放大器无功 率输出，且关键点电源波形+ 8 V 脉冲与一5 V 正 常，则A 1损坏111。

③在A 1输出正常，且A 3的 36 V 电源正常的情况下，若A 3无功率输出.则A 3 内功率放大管损坏，可拆下分别检查。

④如无36 V 电压，在40 V 电压正常的情况下，则U 4损坏。

(4)
关键点参数：①固态放大器时序信号：打开
发射机测试平台，选择窄脉冲322 H z 重频.发射机 只需加低压。

先测量36 V • —5 V 电源输出是否正 常.在正常情况下，再测量控制板关键点信号波 形m。

②同态放大器输人射频功率10 m W ,脉冲宽
度8.2 p s ;输出功率>45 W •脉冲宽度10
③射
频衰减器输出峰值功率最佳值为2 W 左右（窄脉冲 1. 57±0. 1 p s 、宽脉冲 4. 7±0. 25 p s )。

④控制板 U 5输出的+8 V 电源脉冲宽度为30 和雷达定
时信号同步。

⑤高频激励触发信号在时序关系中比
高频起始触发信号提早34. 7±0. 1 p s 。

1.2射频脉冲形成器 1.2.1射频脉冲形成器组成
射频脉冲形成器主要包含驱动器（A 1)、隔离器
(11)、功分器（D 1)、两路微波开关（S 1、S 2)、功率合 成器（D 2)、隔离器（12)、定向耦合器（C'l )。

驱动器 包含差分接收（U 1)、光耦隔离（U 2)、宽窄脉冲延时
(U 3)、宽窄脉宽调整（U 4)、与非门（U 5)、前后沿调 整（U 6、U 7)、缓存器（U 11)以及驱动器（U 8)。

具体 组成框图见图3所示。

1.2.2射频脉冲形成器关键性能
射频脉冲形成器主要技术要求为：输人射频功 率>45 W ，脉冲宽度为8. 2
输出功率>15 W ,窄
脉冲宽度1. 57士0. 1 p s 、宽脉冲宽度4. 7±0. 25 p s 。

为了满足发射机波形、频谱要求，高频脉冲形成 器应对高频输入脉冲进行调制、整形。

计算表明：为
r 使发射机的输出频谱宽度符合要求.高频脉冲前
沿、后沿应不小于0. 12
且应接近正弦平方
器n
丨冬丨2固态放大器组成
1. 1.2同态放大器关键性能
(1) 差分接收U 1的3脚输出波形为和发射机
厂.作的重复频率同步的高频激励触发脉冲•幅度为 T T L 电平。

(2)
75 W 微波放大器（A 3)供电电压为+ 36 V 组成框图见图2所示。

射麯激M M 9号
频综------►
走向
供合
器C 1
10
d B
厂
微波
开关
5W
微波
放大器A 1脉宽 调整U 2
差分
接收I
20冒微波
75t «放人器A 2
器A 3
射频脉冲形成器
i
s s 30d
12
*
810第48卷
信号处
理器
发射机_!■:控板
动器
3A5A1 m3
函数1。

为了满足发射机地物干扰抑制比的要求，高频 脉冲形成器应能为速调管放大器仵脉冲前后沿的相位失真提供补偿K i。

來A发射机主控板的高频起始触发信号经由差分接收（U1)及单稳态U3A和U3B,触发单稳态U4八和U4B。

U4A产生脉宽相呻于宽脉冲的调制脉冲.U4 B则产生脉宽相当于窄脉冲的调制脉冲。

经与非门U5A控制U4A、U4B T.作或禁止，在 U4A和U4B中，只能有一路处于T.作状态，另一个则被禁止丁.作。

通过U5A的调试脉冲信号在经过U6和U7进行前后沿的调整。

调整后的信号进人缓存器（U11)缓存。

功分器D1将固态放大器输出的高频信号一分为二。

两个调制器是以P I N管为核心的衰减器。

由脉冲形成驱动器输出的调制脉冲.到达调制器控制端吋•调制器衰减量减至M小，高频信号得以顺利通过；f t调制脉冲休止期.调制器的衰减量增大50 阻止高频信号通过。

于是在两只调制器的输
出端，获得了波形符合要求的卨频脉冲。

S2路高频脉冲较S1路在时间上略有延迟•且经移相器使其相位略冇滞后.然后由功率合成器矢M相加，经隔离器后从X S4射频连接器输出。

上述时间延迟和相位滞后的目的是为了补偿速调管放大器在脉冲前后沿的相位失真|1:。

2 C1NRAU/SA-S B局频放大链前级故障维修技术
高频部分主要功能是对高频信号进行功率放大和脉冲调制.形成脉冲宽度为1. 57 ±0. 1和4. 7±0. 25 的高频脉冲。

该部分故障主要表现为尤高频脉冲输出或由于包络波形不正常导致输;丨1功率减小。

故障出现时一般会同时伴随发射功率超限、K F D测试信号定标、定标检查超限报警.故障分 析定位方法主要通过仪表测ft各功能模块的输人和输出信号功率及射频包络波形确定.如果关键点参数不正常，还要进一步测M与之相关的电源、整形电 路、同步信号及时序等是否正常，最终定位到损坏的可更换单元是射频功放模块或是与之有关的附属电路及同步信号的源头分机u。

例如：雷达报线性通道速调管输出测试信号变坏（533 #报警）、线性通道杂波抑制变坏（486 #报 臀）、机内发射机功率测试设备故障等警报.无丨"1波 信号，但发射机高压正常。

由于无接收机报警信息. 可以将故障定位到发射机放大链通道。

检查是脉冲形成器无输人功率，进一步检查是固态放大器输人功率为10 d B m,输人正常而输出无信号，显然是间态放大器损坏。

打开检査，电源及同步控制信号正常，第1级微波功率放大器输出3 W正常.但第2 级间态功率放大器无输出。

更换固态功率放大器后，雷达恢复正常
上述故障判断依附于整个雷达发射机系统运行实施，无法将组件打开同时进行检查和测试。

本诊 断系统可以独立固态放大器和脉冲形成器.设汁出 间态放大器和脉冲形成器T.作所需要的电源.控制信号以及时序信号等并设计有输出接口电路，利用 现有的示波器、功率计和频谱仪等进行测试检测来进行辅助判断。

3诊断系统的硬件电路设计
硬件系统主要为间态放大器、脉冲形成器系统提供测试信号，电路框图如ra 4所示。

该硬件主®采用单片机和C P L D进行设计，单片机主要采用M I C R O C H I P公司的P I C18F97J60芯片，该芯片是8位机的高档系列.遵循以太网I E E E802. 3规范. 完令支持1〇B A S E-T标准规范.作为常规的通倍fr:制具有控制简单、成本小、通信方式灵活等特点，中-片机晶振采用25 M H z,具有70个I/O端口，5个定
隔功
离分
器器
11D1
射频脉冲形成器绀成气象科 技
W 态放人
器
第6期杨奇等：C IN R A rV S A-S B雷达高频放大链前级组件故障诊断系统设汁与实施811
时器模块、2路U S A R T模块，具体单片机外围电路见图5。

C P L D采用A L T E R A公司生产M A X系列E P M3256A T C144芯片，该芯片具有256个宏单元、16个逻辑块数、3.3 V可编程电压。

采用C P L D 对固态放大器、脉冲形成器的逻辑控制时序甚至整个雷达工作时序的产生都比较容易。

图4固态放大器、脉冲形成器诊断系统硬件电路
誦:
i i l i f i n n m m
pi —•
i i i f i
^1
图5单片机外围电路
3. 1系统电源的设计
固态放大器采用40 V电压、脉冲形成器采用+ 5 V、一15 V电压、系统硬件诊断系统使用+ 5 V、+ 3.3 V电压。

由于固态放大器和脉冲形成器对发射机输人相位噪声要求较高，上述系统尽可能采用线性电源，确保了前级输出无50 H z以及其它离散杂散谱线。

设计诊断系统硬件采用+40 V电压作为总电压输入（由单路稳压电源或者发射机+40 V电源改 造而成），诊断系统硬件采用两路15V(D C/D C)电源模块，型号48S15A1,输入电压范围38〜72 V (D C),输出电流可达500 m A。

一路作为脉冲形成器的一 15 V电源使用，由于脉冲形成器内具有79L05稳压效果，故该路电压采用开关电源输出不会影响或增加前级的杂散谱线；另一路经三端稳压块7805输出作脉冲形成的+ 5 V供电，同时送至A M S1117-3. 3V,输出3. 3 V和5 V作为本系统硬件诊断系统所需工作电压。

3.2系统固态放大器、脉冲形成器输出接口的设计
固态放大器、脉冲形成器的逻辑时序采用
C P L D产生，其输出经差分芯片A M26L S31至接口，图6中U13的2和3脚为固态放大器闸门差分信号；5和6脚为脉冲形成器高频触发差分信号。

脉冲形成器所需的宽窄控制信号由单片机R F3端 口产生，送至7404的11脚，光耦U4导通时，C E输 出导通为窄脉冲控制信号，不导通为宽脉冲信号如图7。

RFS7
CHA RG E9
DISCHA 15
12 〇
4
8
[> V16RFD+
316RFD-
616RFS+
516RFS-
10CHARGER+
11CHARGER-
1416DISCH+
:::一
1316DISCH-
AM26LS31
图6固态放大器、脉冲形成器差分输出接口
V C C
图7脉冲形成器宽窄控制信号
3.3 宽窄逻辑控制与显示电路设计
为更好地进行操作与维修，该诊断系统硬件独立设计了按键控制与显示电路，可显示固态放大器、脉冲形成器当前工作的时序逻辑，如时序工作频
率
812第48卷
气 象科技
及状态、宽窄状态、T 作时序频率322 H Z 、644 H z 、 1282 H z 等。

按键电路采用2个钮子开关，分别为宽窄切换、 时序频率.可对发射机测试宽窄和重复频率进行控 制。

按键电路比较简洁，占用单片机2个V O 口 .分 别为R J 〇、R J l ,具体见图8。

3. 3V
R13 R3010K
_____>.
470
时序频枣
r ±=ci 8
SET0
图8按键输人电路
显示电路采用传统的I X D 1602A 字符显示屏， 可显示两排共计32个A S C I I 字符，采用蓝色背光. 8位总线模式（亦可采用4位模式），包括控制线共 占用单片机12位V () 口，其中B L A 为背光控制、 R E 0〜R K 7为数据总线、K H 0、R H 1、R H 2为读写及 控制线.具体见图9。

程序.该程序可实现网络间基本的数据交换与控制。

系统主程序设计了 1 m s 全局滴嗒时钟.程序流程 (图10)首先进行端口初始化.从存储器调人以太网 配置.协议栈的初始化.再进行主程序的工作循环。

主程序的工作主要包括：协议栈任务调度、协议栈应 用程序、同态放大器/脉冲形成器控制子程序 (图11)。

以上主程序均在全局滴嗒时钟的倍数控
制下按节拍进行运行.每一个主程序规定了运行时 间间隔.超时退出。

该诊断系统的外部通讯控制均 在协议栈应用程序中实现。

图10主程序流程
U21
LCD1602
j j c a c a c a c a c a c a c Qc a < co O Q c a c a Q Q Q Q Q Q Q Q W p 2〇j ：>>>
-T
r *',
二
O C \X
卜
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-
〇
<a Q i s
i 5a i .a 2a ：g
a
：o
5
1
tJ >
U u
>
§
图9
显示电路
4 系统程序设计4. 1
基于单片机的程序设计
由于单片机系统内置以太网控制器，M I C R O ­C H I P 公司提供了轻量级的 T C P /I P 协议下的驱动
图11
控制子程序流程
第6期杨奇等：CIN R A D.,_SA-S B雷达高频放大链前级组件故障诊断系统设计与实施813
4. 2基于C P U)的逻辑时序程序设计
C P L D采用Verilog语言设计，C P L D主时钟采用20 M H z有源晶振输入.时序逻辑控制时间可精确到50 ns。

首先定义8位数据线，7位地址线（实际只用了3位），读写控制线，以及寄存器等输出引脚。

定义 地址1为时序逻辑控制频率：总线字节0为322 H z、l为 446 H z、2 为 644 H z、3 为 857 H z、4 为1282 H Z、其它为1014 H Z。

时序频率采用累加计数方式.首先为各时序频率设置预定的计数值.当计数器达到预定值时，翻转端口引脚输出值即可达到我们所需的重复频率.本C P L D实际设计了发射机整个七路逻辑控制时序。

各重复频率预置值见以下程序（频率计数值62112为322 H z的预置值，44843 为446 H z的预置值等）：
a l w a y s®(posedge C L K)
case( timen o[3：〇] ).'.’timeno
4'bOOOO ：begin
f r e q n u m<=62112；//20000000/322322H z预置值
end
4#b0001 ：begin
f r e q n u m<=44843;//48000000/446446H z预置值
end
4*b0010 ；begin
f r e q n u m<=31056；//48000000/644644H z预置值
end
4’b0011:begin
f r e q n u m<=23337；//20000000/857857H z预置值
end
4'b0100 ：begin
free丨n u m<=15601 ;//48000000/12821282H z预置值
end
default ：begin
f r e q n u m<=15601; 720000000/10141014H z预置值
w n f l a g<=0;
end
endcase
由于各逻辑时序间存在一种相对的时间关系，严格监控在时序频率中的计数器值，根据其值的大小进行比较判断即可控制发射机t路时序间的相对关系以及其输出脉冲的宽度。

本程序中产生了3路 时序即：频率源射频激励调制信号、固态放大器闸门信号、脉冲形成器高频起始信号。

当计数器清0时，高频起始信号为1,在清0后累加60个晶振周期脉冲 即为高频起始脉冲宽度。

计数器清0前50个计数周期为频率源调制信号脉冲起始位，宽度为166个计数 周期.即8.3 高频闸门信号在计数周期清0前680个计数周期开始.输出50个计数周期宽度。

a l w a y s®(posedge C L K)
if(cnt0 >=f r e q n u m)//S E C_T I M E
begin
cntO <=0；
R F S=1;
end
else i f (cntO =59) 高频起始脉冲宽度
begin
cntO <=cntO +1；//累加
R F S<=0；高频起始为0•脉冲时间为60 * 50n s
end
else if(cnt0= = —50+166) //频综宽度计数24
begin
cntO <=cntO +1; //’累加
i f (shiftphase[7] =1) f r e q_P<C= 1;
else
begin
f r e q_P<=0; //频综调制信号为〇
end
end
else i f(cntO ==f r e q n u m— 50)频综宽度计数24
begin
f r e q_P<=l；//频综调制信号为1
c、nt0 <二cntO +1; //累加
end
else if(cnt0= =f r e q n u m—680)高频阐门计数24
begin
R F D_P<=1;//高频阐门为1
cntO <=cntO +1; //累加
end
else i f(cntO = =f r e(丨n u m—680+60)高频阐l、j脉冲宽度
begin
R F D_P<=0；/高频阐门为0,产生一个脉冲的高频单闸门信号
cntO <=cntO +1; //累加
end
else
begin
cntO <=cntO +1；//计数器继累加
end
4.3 系统实际输出时序波形
程序经仿真软件后可观察到固态放大器高频闸门信号（RFI^P)和脉冲形成器高频起始触发信号(R F S)具体时间关系（图12、图13、图14)。

从图13 和图14中可以看出高频闸门信号在第61432个脉冲
814 气 象科技第48 #
后产生.高频起始信号在62112个脉冲产生，即脉冲固态放大器和脉冲形成器时序脉冲宽度为60个脉形成器时序滞后固态放大器共680个脉冲.计34 冲，计3 M s。

图13高频闸门信号具体起始时刻
图14高频起始信号具体起始时刻
上述C P L D程序通过Q U A R T U S II编译后下
载至硬件.通过示波器可观察到各时序间的相对关
系，如图15.图16所示，图中C H1通道为高频起始
信号、C H2高频闸门信号。

完全满足固态放大器、
脉冲形成器的时序逻辑控制.图中可以看出两时序
相差34 p s,宽度3 和仿真波形一致.周期频率
322 H z。

同时频率源激励调制信号通过Q9线连接
至信号源外调制端可输出同步的8. 3 p信号，形成
整个前级放大链路.也可以将连续波信号接人固态
放大器输入端直接进行测试。

图16固态放大器、脉冲形成器具体相对时序关系
5结论
新一代天气雷达高频放大链前级组件故障诊断
系统能够满足对C1N R A D/S A-S B发射机固态放大
器和射频脉冲形成器的离线测试。

本文建立了对放
大链前级组件的离线维修与测试的硬件环境，对故
障的判断与维修提供了便利•有利于技术人员对雷
达故障的快速诊断，有利于雷达故障的快速恢复。

图15固态放大器、脉冲形成器时序关系
第6期杨奇等：CIN R A D S A -S B 雷达高频放大链前级组件故障诊断系统设计与实施
815
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Design and Implementation of Fault Diagnosis System for Front-Stage
Component of CINRAD/SA-SB Radar High Frequency
Abstract ： According to the internal structure, working principles and maintenance requirements of the
front-stage component of the S-band new-generation weather radar high frequency amplification chain and important functional modules such as solid-state amplifier and RP" pulse former, a set of diagnosis system which can support the test and maimenance of the solid'state amplifier and R F pulse former i s designed. T h e design flow of the system i s described in detail，mainly including the design of hardware, p o w e r , circuit interface, control logic and display circuit. I t can provide a variety of voltage, control signal, timing logic signal for testing and maintenance of the solid-state amplifier and R F pulse former, thus meeting the circuit signal testing requirements of solid-state amplifier and R F pulse former faults, and judging fault points and components. T h e direct-output fault indication allows to conduct tests and fault location quickly, thus to ensure the safety of the maintenance personnel and to protect the radar equipment from secondary damages and assuring the timeliness of radar fault maintenance.
Keywords: n e w generation weather radar; solid state amplifier; R F pulse former; malfunction diagnosis
Amplification Chain
Y A N G Q i 1
LI C h u a n z h u 2
(1 H e n a n P r o v i n c i a l A t m o s p h e r i c E x p l o r a t i o n D a t a C e n t e r , Z h e n g z h o u 450003;
2 X i n y a n g M e t e o r o l o g i c a l O f f i c e , H e n a n , X i n y a n g 464000)。