多普勒天氣雷達(dá)速調(diào)管工作異常的故障排查

多普勒天氣雷達(dá)速調(diào)管工作異常的故障排查摘要：本文主要圍繞多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)速調(diào)管及其配套器件，較為詳介紹速調(diào)管工作異常時如何從多方面去檢查故障產(chǎn)生的原因。只要能快速找到故障所在，就能做到精準(zhǔn)排故，這對雷達(dá)設(shè)備維修技術(shù)人員有重要的幫助。關(guān)鍵詞：速調(diào)管、鈦泵、燈絲電壓、燈絲電流、前級放大器、激勵信號、率計、高壓調(diào)制器、脈沖波形多普勒天氣雷達(dá)在發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測普通降水以及強(qiáng)對流雷暴天氣過程起到了關(guān)鍵的作用，是預(yù)報局地災(zāi)害性天氣的重要手段，它能幫助氣象預(yù)報員做出準(zhǔn)確的短時天氣預(yù)報，能夠最大程度地減少災(zāi)害天氣造成的損害，是氣象局、海洋航運(yùn)、民用航空等部門配備的必要設(shè)備。但是，要想多普勒天氣雷達(dá)能夠探測到幾百公里范圍內(nèi)的降水回波，必須保證雷達(dá)發(fā)射機(jī)能夠不斷發(fā)射大功率的微波探測脈沖。多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)生并發(fā)射大功率微波，常常是利用速調(diào)管來實(shí)現(xiàn)的，可以說，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的速調(diào)管就是其“心臟”，必須確保速調(diào)管的正常工作，才能完成所需的探測任務(wù)。為此，設(shè)備維護(hù)人員必須要掌握速調(diào)管一些常見故障的檢測技能。我們以南京恩瑞特公司生產(chǎn)的GLC_18F多普勒天氣雷達(dá)為例，詳細(xì)介紹其射機(jī)速調(diào)管常見故障的檢查方法和步驟。GLC_18F多普勒天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)組成框圖如圖1所示。一、鈦泵引起的速調(diào)管工作異常速調(diào)管是一種電真空器件，正常工作時其內(nèi)部要求保持很高的真空度，但由于速調(diào)管的內(nèi)部構(gòu)件會釋放出微量氣體，在受到電子轟擊或溫度升高時，放氣體還會增多。為保證速調(diào)管管體內(nèi)部能達(dá)到一定的真空度使得速調(diào)管穩(wěn)定可工作，因此速調(diào)管設(shè)計有鈦泵裝置來完成這項任務(wù)。鈦泵用來將這些微量氣體收，保持管內(nèi)高真空狀態(tài)。鈦泵由一個陽極和兩塊鈦金屬板組成，陽極和鈦板間的間距約1～2mm。兩者之間施加+3.5Kv~+4Kv直流高壓，形成很強(qiáng)的電場。管內(nèi)殘留氣體中的正離子，在該電場力的作用下，以高速轟擊鈦板，使鈦金屬生大量濺散而復(fù)蓋陽極，使陽極吸附氣體，從而保證了管內(nèi)的真空度。鈦泵電的數(shù)值，隨管內(nèi)真空度變化而變化，真空度高，鈦泵電流小，真空度低，鈦泵流大。典型的鈦泵電流一般是零到幾個μA左右，最大一般不得超過20μA。雷達(dá)鈦泵陽極電源由鈦泵電源電路提供，鈦泵電源的正常與否直接影響雷達(dá)發(fā)射的正常工作。檢查雷達(dá)速調(diào)管的鈦泵時，主要檢查鈦泵電壓和鈦泵電流的數(shù)值。發(fā)射機(jī)配備了鈦泵電壓及電流指示表，通過查看鈦泵電壓、鈦泵電流的數(shù)值來判斷鈦是否工作正常。若鈦泵電壓和電流的數(shù)值均為零，檢查市電輸入的保險絲有無斷，若保險絲沒有燒斷，市電正常供電，可以確定鈦泵電源損壞，更換鈦泵電模塊。還有一種常見情況，若鈦泵電流低于20μA，而鈦泵電壓低于2.5Kv，鈦泵電源故障燈就會點(diǎn)亮，那么可以確定鈦泵電源已經(jīng)老化不能提供所需的直流壓值，也要更換鈦泵電源模塊。若鈦泵電壓正常，鈦泵電流超過20μA甚至超50μA，就要懷疑速調(diào)管老化，其真空度嚴(yán)重降低。結(jié)合檢查速調(diào)管輸出的峰值功率，若低于200KW，就要更換發(fā)射機(jī)速調(diào)管了。二、燈絲電壓、電流異常引起的速調(diào)管工作異常雷達(dá)發(fā)射機(jī)中的關(guān)鍵部件速調(diào)管實(shí)際上是一個用于放大小功率微波信號的功率電子管，它具有一般電子管所具有的的燈絲和陽極、陰極等構(gòu)造，在正常作前必須由燈絲加熱陰極以對其預(yù)熱，這就對速調(diào)管的燈絲電壓電流有著較高要求。燈絲的電壓電流異常將會引起速調(diào)管的工作異常甚至損壞速調(diào)管。燈絲常與陰極做成一體，其作用是用來加熱陰極，使速調(diào)管充分預(yù)熱，當(dāng)陰極處于熱狀態(tài)時，電子更容易逃脫陰極在柵極的控制作用下飛向陽極，從而使陰極具有發(fā)射電子的能力。為了不影響速調(diào)管放大小功率微波信號時造成信號的相位失真，通常對燈絲采取直流恒流供電。南京恩瑞特公司生產(chǎn)的GLC-18F雷達(dá)發(fā)射機(jī)所使用的速調(diào)管是北京電子管生產(chǎn)的型號為KC4149的速調(diào)管，其正常的燈絲電壓約+11V，電流約7A。我們通過檢查燈絲的電壓電流可以判斷速調(diào)管的工作狀態(tài)。若燈絲電壓正常，但燈絲電流為零，很可能是燈絲燒斷了。進(jìn)一步使用萬表測量燈絲的兩直流電壓輸入極不通，說明速調(diào)管已壽命耗盡報廢，只能更換調(diào)管。若燈絲電壓偏高而燈絲電流反小，或燈絲電壓偏低,而燈絲電流反大，說明燈絲經(jīng)過長時間工作，燈絲電阻發(fā)生顯著變化，陰極發(fā)射電子能力減弱，此時調(diào)管的發(fā)射功率很可能嚴(yán)重降低，已經(jīng)不能滿足需求。再結(jié)合對速調(diào)管峰值檢測，若功率下降嚴(yán)重，說明速調(diào)管嚴(yán)重老化，必須更換速調(diào)管。三、激勵信號異常引起的速調(diào)管工作異常速調(diào)管的工作原理不同于磁控管，磁控管工作時不需要外加激勵信號，只施加適當(dāng)?shù)母邏好}沖，本身就可以產(chǎn)生固定頻率的大功率高頻脈沖振蕩，并通波導(dǎo)傳輸?shù)教炀€，向空間輻射，用來探測目標(biāo)。磁控管每次產(chǎn)生的高功率脈沖頻信號的初始相位無法控制，無法用于對速度測量的多普勒雷達(dá)，只能用于常天氣雷達(dá)。而速調(diào)管施加高壓脈沖后，自身并不能振蕩產(chǎn)生大功率的高頻探測號，需要外加激勵信號后才能產(chǎn)生大功率射頻信號。實(shí)際上可以將速調(diào)管看做一個大功率的微波放大器件，用來放大外加射頻激勵信號。由于射頻激勵信號初始相位是已知可控的，所以以速調(diào)管為核心的天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)可以滿足雷達(dá)徑向速度的測量。有些時候，速調(diào)管的燈絲電流電壓正常，鈦泵電流電壓正常高壓脈沖調(diào)至器無故障，此時應(yīng)該檢查速調(diào)管的激勵信號是否正常。激勵信號起的速調(diào)管工作異常主要有以下兩種情況。1、發(fā)射機(jī)前級放大器無激勵輸出檢測發(fā)射機(jī)前級放大器有無激勵輸出，首先把示波器探頭連接到其輸出檢口來檢測前級放大器是否有激勵信號輸出。連接到檢測口時最好接衰減器，還須要接上檢波器，才能檢測到脈沖激勵信號的包絡(luò)，否則示波器是檢測不到高微波射頻信號的。如果檢測不到脈沖激勵信號的脈沖包絡(luò)，可以確定沒有激勵號。此時可以繼續(xù)向前檢測，在接收機(jī)提供的微波激勵源檢測口檢測是否有信輸出，如果有信號輸出，可以判定發(fā)射機(jī)前級放大器故障，需要更換或檢修發(fā)機(jī)前級放大器。如果做為上一級的接收機(jī)激勵源無信號輸出，說明接收機(jī)的激源板損壞，那就需要更換接收機(jī)激勵源板卡，直到接收機(jī)激勵源板有激勵輸出再檢測后一級。圖2為發(fā)射前級放大器輸出的1μs（1微妙）正常脈沖波形實(shí)照片，如果檢測不到波形或波形異常，說明前級放大器輸出有問題，維修或更前級放大器。2、發(fā)射機(jī)前級放大器輸出激勵功率不足當(dāng)檢測前級放大器有激勵信號輸出，但速調(diào)管仍不能正常工作，此時需要檢測激勵信號的功率。對于我們的恩瑞特公司生產(chǎn)的GLC-18F要求發(fā)射機(jī)前級放大器的激勵信號峰值功率必須≥10W，如果功率小于此額定值很多，速調(diào)管將不能正常工作。檢測前級放大器的微波輸出功率，需要使用到功率計。對于功率計的使用法，這里不做介紹，可以參考有關(guān)使用說明。因?yàn)槲覀儨y量的是激勵脈沖波形持期的功率，所以需要將功率計設(shè)置成測量峰值功率的狀態(tài)，必要時還要接上定衰減值得衰減器，以防燒毀功率計探頭。如果我們測得的發(fā)射前級放大器的出10W許多，比如6W，我們可以調(diào)節(jié)前級放大器的功率輸出旋鈕，如果調(diào)節(jié)最大仍然不能達(dá)到10W，可以判定前級放大器功率放大能力下降，需要維修或更換前級放大器了。四、速調(diào)管腔體結(jié)構(gòu)、聚焦線圈、冷卻系統(tǒng)變化引起的工作異常速調(diào)管工作幾千小時以后，由于腔體長時間受到電子的轟擊或者偶爾打火使腔體構(gòu)造尺寸發(fā)生一些變化、長時間工作也使得聚焦線圈聚焦能力下降造成焦、冷卻不夠長時間過熱工作等等原因，即使燈絲電流電壓、鈦泵電流電壓、勵都正常，速調(diào)管工作仍然會出現(xiàn)問題，主要表現(xiàn)就是速調(diào)管的輸出功率降低雷達(dá)回波變?nèi)?。使用示波器檢測速調(diào)管輸出到波導(dǎo)耦合器檢測端口的脈沖包絡(luò)形是否正常，當(dāng)輸出波形出現(xiàn)如圖4所示的波形，再結(jié)合使用功率計連接到速管輸出到波導(dǎo)的耦合器檢測端口檢測速調(diào)管的輸出峰值功率。我們的GLC-18F普勒天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)速調(diào)管輸出的額定峰值功率≥250KW，當(dāng)檢測到速調(diào)管輸出功率嚴(yán)重降低時，如果輸出已經(jīng)降低到了200KW以下，這就說明速調(diào)管已經(jīng)嚴(yán)老化，就要考慮更換速調(diào)管了。五、其他原因引起的速調(diào)管工作異常速調(diào)管工作時必須要給其提供良好的散熱，一般雷達(dá)的發(fā)射機(jī)采用風(fēng)冷方給速調(diào)管散熱。當(dāng)風(fēng)機(jī)故障或風(fēng)機(jī)缺相等原因轉(zhuǎn)速不夠致使風(fēng)壓降低，風(fēng)壓傳器檢測到風(fēng)壓不足就會觸發(fā)高壓保護(hù)，速調(diào)管將停止工作，此時要檢查風(fēng)機(jī)散系統(tǒng)。固態(tài)高壓調(diào)制器故障也會使得速調(diào)管不能正常工作。作為一般的維護(hù)人員當(dāng)檢測這部分故障時，我們最多檢查項目就是人工線的充電電壓表讀數(shù)是否在3.5-3.8Kv之間。