GFEL型二次测风雷达接收系统原理及常见故障处理

刘秋荣1　李春娥2

（1.新疆哈密地区气象局，新疆 哈密 839000；2.新疆信息工程学校，新疆 乌鲁木齐 830000）

【摘　要】本文针对GFE(L)型二次测风雷达的特点，按照接收系统前、后端的功能划分，介绍各模块的主要工作原理、特点和主要技术指标，依据各模块参数、技术指标和典型故障事例，分析其产生故障的特点和原因，以便在维修中快速定位和排除故障,且已在实际应用中得到了验证。

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关键词 GFE(L)型；二次测风雷达；接收机系统；故障处理

0　概述

接收机是雷达系统的重要组成部分，其功能是通过预选滤波、放大、变频、滤波、解调等方法最大限度获得有用回波信号，同时滤除无用信号，将目标反射或散射回的微弱射频信号变成有足够幅度的视频或数字信号，用以满足信号处理的要求。GFE(L)型二次测风雷达是中国气象局新一代高空气象探测雷达，其接收系统采用了单通道、单脉冲二次雷达工作体制,它与数字探空仪相配合，将回答器回答的微弱射频信号放大成有足够幅度的视频信号，送至测角、测距、天控、数字终端等系统，用以解调有用信号和实现测距、测角的自动跟踪以及对雷达的控制。所以，接收系统性能的稳定，直接影响雷达其它系统的正常工作以及探测的精度[1]。

新疆区2006年完成安装并投入业务运行的有十四部。多年的业务运行表明，该雷达工作状态良好，探测精度较原来710型雷达相比有较大提高。但是，接收和天控系统的故障率较高，影响了探测的精度及数据的完整，本文重点从雷达接收系统的结构及工作原理入手，分析可能产生故障的原因以及对其它系统的影响，找出解决问题的办法。

1　GFE(L)型二次测风雷达接收机的各部分功能及基本原理

1.1　GFE(L)型二次测风雷达接收机的各部分功能及技术指标

GFE(L)型二次测风雷达接收系统由前、后端两部分组成，前端由前置低噪声放大器、限幅器、环流器、射频滤波器、射频放大器、变频器、前中放大器等组成，安置在室外和差箱和天线座内，完成射频的预选、放大、变频和稳定射频及前中放大器增益等功能；后端由中频通道盒、探空单元11-1板组成，安置在室内主控箱中，完成放大、检波、鉴频、AGC控制、AFC控制等功能。中频通道盒和探空单元将得到的30MHz中频信号经变换后送至测距、测角、数据终端、天控、自检/译码等系统，其组成框图如图1所示，该框图显示了GFE(L)型二次测风雷达接收系统的工作原理和各种功能[2]。

GFE(L)型二次测风雷达的工作频率为1675±6MHz，是目前气象部门二次测风雷达的主要工作频段，工作在这个频段具有作用距离远、外部噪声低、天线尺寸小、角分辨率高等特点。其主要技术指标：

工作频率：1675±6MHz

本振频率：1645±6MHz

灵敏度：≤-107dBm

带宽：2.7MHz

总增益：≥110dB

AGC控制能力：≥70dB

AFC跟踪范围：±4MHz

1.2　GFE(L)型二次测风雷达接收机的基本原理

GFE(L)型二次测风雷达接收系统由前端和后端两部分组成，功能是将天线所接收到的探空仪射频信号加以放大、变频、解调送到测距、天控分系统以完成测距和跟踪应答器的功能。此外还将探空仪发回的探空码解调出来，送到数据处理终端得到温、压、湿数据。同时还在测距分系统送来的主抑触发脉冲的控制下，完成主波抑制功能以消除发射主波和近地物回波对AGC、AFC功能的影响。实现了角度自动跟踪、自动测距、自动数据处理、近距离抓球与近距离测距。主要分电路原理分述如下：

1.2.1　前置高放

前置高放为低噪声场效应管放大器，常用于接收系统的前端，对天线信号进行放大，并有效的提高接收系统的灵敏度。GFE(L)型二次测风雷达前置高放使用ATF10136低噪声场效应管放大器，具有低噪声、较低反射系数和良好的稳定性。在4GHz时噪声仅为0.5dB，增益约为13dB，输出功率最高可达20dBm。设置前置高放的目的是为了减小馈线损耗对雷达远距离跟踪的影响。

1.2.2　高频组件

高频组件由高频带通滤波器、射频放大器、本振、混频器、前中放大器以及射频、前中增益和频率控制器组成。高频带通滤波器采用腔体机械滤波器，腔体滤波器为频率可调的带通滤波器。腔体机械滤波器由谐振腔、调谐螺钉等组成，通过调谐螺钉改变谐振频率实现可调的滤波特性。其作用是滤除工作频率以外的其他干扰，包括对镜像信号的抑制。滤波器的电气性能通常用回波损耗、插入损耗、带外抑制等特性来描述，滤波器的插入损耗越小，回波损耗越大，系统的匹配特性越好；带外抑制越高，系统对带外干扰的抑制越大。在机械特性上，要求滤波器的体积小、重量轻并具有稳定的温度、时间、电平特性。

本振为三点式振荡器，频率的调整由变容二极管来实现，振荡输出的信号经一定的功率推动后送到混频器。本振信号还耦合出一部分信号送到分频器，分频后的25kHz左右的方波信号送入主控箱中的终端板，终端板对其计数再乘以分频数后在雷达控制界面上显示出来。一般来说中频放大器和滤波器的频率是相对稳定的，但在实际工作中，由于发射机磁控管振荡器和接收机的本机振荡器的频率稳定度不高，当外界条件变化时，只要其中一个频率发生了变化，混频后得到的实际中频就会与额定中频有偏差，造成接收机灵敏度及增益都会下降，严重时甚至看不到回波信号。为了防止这种情况在该电路中采用了自动频率控制（AFC）电路，AFC控制范围±4MHz。

混频器将雷达接收到的1675±6MHz信号与本机振荡器产生的1645±6MHz信号通过下变频后变换成30MHz的中频信号，再经中频放大器放大滤波。由于雷达观测时目标远近的变化，会产生信号强弱的变化，为防止由于强信号引起的接收机过载，补偿接收机增益的不稳定，要求对接收机的增益可进行调节，信号强时，接收机工作在低增益状态，当信号弱时，接收机工作在高增益状态。从图1中看出，GFE(L)型二次测风雷达在射频、中频放大器中设置了增益控制电路，其AGC控制能力≥70dB，保证了增益的稳定性及测高精度。

1.2.3　中频通道盒和探空通道单元

前中输出的30MHz信号送至室内主控箱中的中频通道盒，经三级单片放大，再经功分器分成两路，一路送至测距，同时对此信号检波、放大得到AGC电压，分别送到射频和前中放大，完成自动增益控制功能。另一路为角支路，经放大、鉴频，得到鉴频电压送至高频组件中的本振，完成自动频率控制。

2　GFE(L)型二次测风雷达接收机典型故障分析与处理

雷达接收机的工作性能与其他系统密切相关，往往接收机的故障，会表现在其它系统，是维修人员难以判断或者走弯路，下面根据接收机原理就一些典型故障进行分析[3-4]。

2.1　增益幅度不够，接收机灵敏度下降，雷达工作到后期时，探空码飞码增多

该故障的特点是，初始放球探空码飞码少甚至无飞码，工作到后期探空码飞码逐渐增多，如图2-b所示，但是雷达自初始放球到工作结束，数据接收、测距、测角自动跟踪正常。

结合接收机放大器和增益控制原理分析可知，引起该故障的因素很多。探空仪、前置高放、高频组件、隔离器、限幅器、环流器工作状态不好，接收通路中信号线缆、高频接插件接触不良引起信号的衰减，外部及地物干扰等都可能引起探空飞码多。

排除方法对无测试手段的台站来说，一般只能采用替换法。用不同批次探空仪作放球实验和用雷达炮瞄镜观察低仰角时是否由于地物干扰造成，首先排除探空仪、地物干扰因素。然后检查、擦洗、紧固接收通道信号线缆插头，高频接插件等。再对前置高放、高频组件、中放单元进行更换。在无果的情况下，可提高中频放大器增益进行解决。这种方法费时、费力，且需有大量的备件予以支持。

对于有经验和具备测试手段的维修工作者，可用网络分析仪或射频分析仪对接收通路的信号线缆逐段进行测试，从测试驻波比分析其线缆、高频接插件接触是否良好，一般驻波比应≤1.4左右。用信号源、频谱仪分别检查前置高放，高频组件、接收系统的增益及灵敏度等，测试结果应符合前置高放、高频组件、接收系统规定的增益及灵敏度指标，通过测试可以直观的找出故障部位。

通过测试判断，该故障是由于中频放大器元器件老化等造成增益幅度、灵敏度下降所致，需对中频放大器部分器件进行微调整，调整步骤是将原中放电路中C26电容由原来30P增大到100P，提高中放对信号的放大能力和灵敏度，同时也应检查、调整探空通道板R66、R26对地电压分别为-0.4V、6.0V左右，经过以上调整，探空飞码问题得以解决。

2.2　前置高放增益下降，信号线缆接触不良等，不能工作到球炸

前置高放增益下降，信号线缆接触不良是频发的故障现象，前置高放增益下降或信号线缆接触不良时不仅起不到对小信号的放大作用，反而造成信号的衰减。明显的特点是在探空仪不工作情况下数据终端显示增益读数在120-125之间，这种情况下放球到40分钟左右，四条亮线发虚，增益饱和，信号消失。

台站依然通过更换前置高放和检查清洁保养紧固信号线缆插头及高频接插件等解决。长期工作经验表明，前置高放增益≤7dB时（正常时应≥13dB）、前置高放输入线缆插头（SMA）脱落、WT9线缆接触不良或芯线短路时会产生该故障。

当然，高频组件、中频放大盒出现故障时，也会造成增益下降，但是这种情况发生时增益饱和，茅草幅度低，雷达无法正常工作。其原因是雷达在长期工作中，前置高放工作性能下降，天线运转过程中会产生抖动，加之新疆冬、夏季温差较大，处在室外的线缆和高频接插件由于热胀冷缩而产生形变，造成室外的线缆插头和高频接插件松动或氧化接触不好，造成信号的衰减。因此，要加强日常的维护保养。

3　结束语

本文结合GFE(L)型二次测风雷达接收机原理，讨论了因接收机灵敏度和增益下降两类故障现象以及解决方法，这两类故障似乎有相同之处即增益幅度下降，但仔细分析是有区别的。第一类故障是由于器件变性而引起的软性故障，检查、发现解决问题的难度较大。当然造成探空飞码多的因素很多，其表现形式又有区别，在解决问题时，对具体情况要作具体分析。第二类故障比较直观，易于发现解决。从解决两类故障现象中认知到，随着气象探测设备的现代化、电子产品的高科技化和复杂化，计算机硬件、软件及信息综合处理的快速化，这些特点在现代雷达技术中的应用非常突出，熟知雷达各系统原理是分析解决问题的基础，少走弯路以达到快速、准确隔离故障，以便快速维修，达到降低雷达修复时间的目的。

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参考文献

［１］戈稳.雷达接收机技术,雷达技术丛书[M].北京:电子工业出版社,2005:1-5.

［２］李祥.某L波段二次测风雷达天线装置结构总体设计[C]//第九届全国雷达学术年会论文集.2012.

［３］吴月友.GFE（L）1型二次测风雷达故障及维修[J].安徽农业科学,2013,41(1):235-237.

［４］龙智明,肖方荣,李争凯,段文静.GFE(L)1型二次测风雷达典型故障分析与维修[J].贵州气象,2014,38(5):35-37.

［责任编辑：汤静］