多普勒天气雷达速调管工作异常的故障排查

多普勒天气雷达速调管工作异常的故障排查摘要：本文主要围绕多普勒天气雷达发射机速调管及其配套器件，较为详介绍速调管工作异常时如何从多方面去检查故障产生的原因。只要能快速找到故障所在，就能做到精准排故，这对雷达设备维修技术人员有重要的帮助。关键词：速调管、钛泵、灯丝电压、灯丝电流、前级放大器、激励信号、率计、高压调制器、脉冲波形多普勒天气雷达在发现并监测普通降水以及强对流雷暴天气过程起到了关键的作用，是预报局地灾害性天气的重要手段，它能帮助气象预报员做出准确的短时天气预报，能够最大程度地减少灾害天气造成的损害，是气象局、海洋航运、民用航空等部门配备的必要设备。但是，要想多普勒天气雷达能够探测到几百公里范围内的降水回波，必须保证雷达发射机能够不断发射大功率的微波探测脉冲。多普勒天气雷达产生并发射大功率微波，常常是利用速调管来实现的，可以说，雷达发射机的速调管就是其“心脏”，必须确保速调管的正常工作，才能完成所需的探测任务。为此，设备维护人员必须要掌握速调管一些常见故障的检测技能。我们以南京恩瑞特公司生产的GLC_18F多普勒天气雷达为例，详细介绍其射机速调管常见故障的检查方法和步骤。GLC_18F多普勒天气雷达发射机组成框图如图1所示。一、钛泵引起的速调管工作异常速调管是一种电真空器件，正常工作时其内部要求保持很高的真空度，但由于速调管的内部构件会释放出微量气体，在受到电子轰击或温度升高时，放气体还会增多。为保证速调管管体内部能达到一定的真空度使得速调管稳定可工作，因此速调管设计有钛泵装置来完成这项任务。钛泵用来将这些微量气体收，保持管内高真空状态。钛泵由一个阳极和两块钛金属板组成，阳极和钛板间的间距约1～2mm。两者之间施加+3.5Kv~+4Kv直流高压，形成很强的电场。管内残留气体中的正离子，在该电场力的作用下，以高速轰击钛板，使钛金属生大量溅散而复盖阳极，使阳极吸附气体，从而保证了管内的真空度。钛泵电的数值，随管内真空度变化而变化，真空度高，钛泵电流小，真空度低，钛泵流大。典型的钛泵电流一般是零到几个μA左右，最大一般不得超过20μA。雷达钛泵阳极电源由钛泵电源电路提供，钛泵电源的正常与否直接影响雷达发射的正常工作。检查雷达速调管的钛泵时，主要检查钛泵电压和钛泵电流的数值。发射机配备了钛泵电压及电流指示表，通过查看钛泵电压、钛泵电流的数值来判断钛是否工作正常。若钛泵电压和电流的数值均为零，检查市电输入的保险丝有无断，若保险丝没有烧断，市电正常供电，可以确定钛泵电源损坏，更换钛泵电模块。还有一种常见情况，若钛泵电流低于20μA，而钛泵电压低于2.5Kv，钛泵电源故障灯就会点亮，那么可以确定钛泵电源已经老化不能提供所需的直流压值，也要更换钛泵电源模块。若钛泵电压正常，钛泵电流超过20μA甚至超50μA，就要怀疑速调管老化，其真空度严重降低。结合检查速调管输出的峰值功率，若低于200KW，就要更换发射机速调管了。二、灯丝电压、电流异常引起的速调管工作异常雷达发射机中的关键部件速调管实际上是一个用于放大小功率微波信号的功率电子管，它具有一般电子管所具有的的灯丝和阳极、阴极等构造，在正常作前必须由灯丝加热阴极以对其预热，这就对速调管的灯丝电压电流有着较高要求。灯丝的电压电流异常将会引起速调管的工作异常甚至损坏速调管。灯丝常与阴极做成一体，其作用是用来加热阴极，使速调管充分预热，当阴极处于热状态时，电子更容易逃脱阴极在栅极的控制作用下飞向阳极，从而使阴极具有发射电子的能力。为了不影响速调管放大小功率微波信号时造成信号的相位失真，通常对灯丝采取直流恒流供电。南京恩瑞特公司生产的GLC-18F雷达发射机所使用的速调管是北京电子管生产的型号为KC4149的速调管，其正常的灯丝电压约+11V，电流约7A。我们通过检查灯丝的电压电流可以判断速调管的工作状态。若灯丝电压正常，但灯丝电流为零，很可能是灯丝烧断了。进一步使用万表测量灯丝的两直流电压输入极不通，说明速调管已寿命耗尽报废，只能更换调管。若灯丝电压偏高而灯丝电流反小，或灯丝电压偏低,而灯丝电流反大，说明灯丝经过长时间工作，灯丝电阻发生显著变化，阴极发射电子能力减弱，此时调管的发射功率很可能严重降低，已经不能满足需求。再结合对速调管峰值检测，若功率下降严重，说明速调管严重老化，必须更换速调管。三、激励信号异常引起的速调管工作异常速调管的工作原理不同于磁控管，磁控管工作时不需要外加激励信号，只施加适当的高压脉冲，本身就可以产生固定频率的大功率高频脉冲振荡，并通波导传输到天线，向空间辐射，用来探测目标。磁控管每次产生的高功率脉冲频信号的初始相位无法控制，无法用于对速度测量的多普勒雷达，只能用于常天气雷达。而速调管施加高压脉冲后，自身并不能振荡产生大功率的高频探测号，需要外加激励信号后才能产生大功率射频信号。实际上可以将速调管看做一个大功率的微波放大器件，用来放大外加射频激励信号。由于射频激励信号初始相位是已知可控的，所以以速调管为核心的天气雷达发射机可以满足雷达径向速度的测量。有些时候，速调管的灯丝电流电压正常，钛泵电流电压正常高压脉冲调至器无故障，此时应该检查速调管的激励信号是否正常。激励信号起的速调管工作异常主要有以下两种情况。1、发射机前级放大器无激励输出检测发射机前级放大器有无激励输出，首先把示波器探头连接到其输出检口来检测前级放大器是否有激励信号输出。连接到检测口时最好接衰减器，还须要接上检波器，才能检测到脉冲激励信号的包络，否则示波器是检测不到高微波射频信号的。如果检测不到脉冲激励信号的脉冲包络，可以确定没有激励号。此时可以继续向前检测，在接收机提供的微波激励源检测口检测是否有信输出，如果有信号输出，可以判定发射机前级放大器故障，需要更换或检修发机前级放大器。如果做为上一级的接收机激励源无信号输出，说明接收机的激源板损坏，那就需要更换接收机激励源板卡，直到接收机激励源板有激励输出再检测后一级。图2为发射前级放大器输出的1μs（1微妙）正常脉冲波形实照片，如果检测不到波形或波形异常，说明前级放大器输出有问题，维修或更前级放大器。2、发射机前级放大器输出激励功率不足当检测前级放大器有激励信号输出，但速调管仍不能正常工作，此时需要检测激励信号的功率。对于我们的恩瑞特公司生产的GLC-18F要求发射机前级放大器的激励信号峰值功率必须≥10W，如果功率小于此额定值很多，速调管将不能正常工作。检测前级放大器的微波输出功率，需要使用到功率计。对于功率计的使用法，这里不做介绍，可以参考有关使用说明。因为我们测量的是激励脉冲波形持期的功率，所以需要将功率计设置成测量峰值功率的状态，必要时还要接上定衰减值得衰减器，以防烧毁功率计探头。如果我们测得的发射前级放大器的出10W许多，比如6W，我们可以调节前级放大器的功率输出旋钮，如果调节最大仍然不能达到10W，可以判定前级放大器功率放大能力下降，需要维修或更换前级放大器了。四、速调管腔体结构、聚焦线圈、冷却系统变化引起的工作异常速调管工作几千小时以后，由于腔体长时间受到电子的轰击或者偶尔打火使腔体构造尺寸发生一些变化、长时间工作也使得聚焦线圈聚焦能力下降造成焦、冷却不够长时间过热工作等等原因，即使灯丝电流电压、钛泵电流电压、励都正常，速调管工作仍然会出现问题，主要表现就是速调管的输出功率降低雷达回波变弱。使用示波器检测速调管输出到波导耦合器检测端口的脉冲包络形是否正常，当输出波形出现如图4所示的波形，再结合使用功率计连接到速管输出到波导的耦合器检测端口检测速调管的输出峰值功率。我们的GLC-18F普勒天气雷达发射机速调管输出的额定峰值功率≥250KW，当检测到速调管输出功率严重降低时，如果输出已经降低到了200KW以下，这就说明速调管已经严老化，就要考虑更换速调管了。五、其他原因引起的速调管工作异常速调管工作时必须要给其提供良好的散热，一般雷达的发射机采用风冷方给速调管散热。当风机故障或风机缺相等原因转速不够致使风压降低，风压传器检测到风压不足就会触发高压保护，速调管将停止工作，此时要检查风机散系统。固态高压调制器故障也会使得速调管不能正常工作。作为一般的维护人员当检测这部分故障时，我们最多检查项目就是人工线的充电电压表读数是否在3.5-3.8Kv之间。