SELEX二次雷達(dá)RF Source模塊故障定位與分析

周逸凡

（中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局重慶分局，重慶 401120）

0 引 言

民航重慶空管分局一碗水雷達(dá)站所轄二次雷達(dá)設(shè)備是SELEX公司生產(chǎn)的SIR-S（Secondary Interrogator Radar with Selective Interrogation Mode Implemented）型二次雷達(dá)，為雙通道配置，可以通過如下方式觸發(fā)交叉連接。一是手動，通過操作指令；二是自動，當(dāng)兩個通道出現(xiàn)并發(fā)故障時，將進(jìn)行一個通道的主用應(yīng)答處理和通道管理單元與另一個通道的發(fā)射接收組合單元的交叉連接。該設(shè)備曾發(fā)生A通道故障，雷達(dá)單通道運行，設(shè)備提供服務(wù)的保障能力下降，故障產(chǎn)生的告警模塊較多。面對如此紛繁的告警情況，雷達(dá)站工作人員仔細(xì)分析故障現(xiàn)象，按照應(yīng)急流程操作設(shè)備并且通過梳理二次雷達(dá)信號流程以及查閱官方資料后確定了故障模塊為RF Source板件。下面對這次的故障排除工作進(jìn)行詳細(xì)介紹，希望能對相關(guān)人員有所幫助。

1 物理描述及系統(tǒng)監(jiān)控方式

1.1 物理描述

一碗水二次雷達(dá)型號為SIR-S，采用ALE-9型號開式陣列天線（由水平方向并排排列的35個輻射柱組成），發(fā)射頻率為1 030 MHz，接收頻率為1 090 MHz[1]。SIR-S二次雷達(dá)設(shè)備是由2個機柜組成的雙通道系統(tǒng)，每個機柜包含1個發(fā)射單元（固態(tài)）、1個接收單元、1個應(yīng)答處理和通道管理（RPCM）、1個轉(zhuǎn)換開關(guān)、1個配電組件以及1個執(zhí)行控制面板。

對于2套相同的發(fā)射機/接收機通道，一個與天線連接，另一個作為在運行通道發(fā)生故障時的備份。2個發(fā)射機/接收機通道與2套RPCM數(shù)據(jù)提取/控制組件交叉連接，2套RPCM具有雷達(dá)控制和雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的功能。在正常運行模式下，一個發(fā)射單元和一個接收單元與天線相連接（主通道），另一個發(fā)射單元和另一個接收單元以熱備份的方式與虛擬負(fù)載相連接（備用通道）。在與天線相連接的發(fā)射機或接收機出現(xiàn)故障的情況下，這個發(fā)射機接收機組合將與虛擬負(fù)載相連接，而另一發(fā)射機接收機組合與天線相連。2套發(fā)射機接收機組合之間的轉(zhuǎn)換功能是由轉(zhuǎn)換開關(guān)組件完成的。2個RPCM單元具有主用/備用、容錯配置。發(fā)射單元、接收單元和轉(zhuǎn)換控制組件由自己通道的RPCM控制，也被另一個通道的RPCM控制。2個RPCM單元都從發(fā)射機/接收機通道接收狀態(tài)和告警信息。2個發(fā)射/接收通道接收相連接的RPCM的控制和測試信號，同時將狀態(tài)和告警信號發(fā)送給RPCM?；?套發(fā)射機/接收機組合的狀態(tài)和告警信息，評估2套組合的運行狀態(tài)，以保證雷達(dá)性能[2]。

當(dāng)告警出現(xiàn)時，主用RPCM比較2套發(fā)射接收組合的告警狀態(tài)并決定要執(zhí)行的操作。主用RPCM通過轉(zhuǎn)換開關(guān)組件控制發(fā)射接收單元的配置，也就是控制指定的發(fā)射接收組合與天線相連接。2個RPCM相互之間交換所有的信號和信息，這些信號和信息用來進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開關(guān)組件的控制和RPCM的校準(zhǔn)。

該產(chǎn)品的特性是設(shè)備模塊化設(shè)計，即特定功能由單一組件完成、每一組件可隔離處理并單獨進(jìn)行測試以及每一組件單獨供電。發(fā)射機單元由模塊發(fā)射機接口處理器（TXIP）、RF Source模塊（射頻源）、2個低壓驅(qū)動放大器模塊（Main/Aux發(fā)射機通道一樣）、2個主（Main）高功率放大器模塊、1個輔（Aux）高功率放大器模塊、檢測器模塊以及供電模塊等組件組成。

SIR-S雷達(dá)發(fā)射機單元采用雙發(fā)射機配置（主用和備用通道），采用全固態(tài)發(fā)射機和插入式裝置[3]。

SIR-S發(fā)射機射頻源(合成器/調(diào)制器)上的合成器產(chǎn)生1 030 MHz的RF信號，并分成3組輸出，1個連續(xù)波（Continuous Wave，CW）輸出給接收機的本地晶振，1個調(diào)制輸出給Aux放大器鏈，1個調(diào)制輸出給Main放大器鏈。在沒有衰減的情況下，發(fā)射機組件產(chǎn)生一個最小峰值輸出功率為+64 dBm。Main和Aux發(fā)射路徑上有2套相同的Main/Aux低功率放大器，在低功率放大器和高功率放大器內(nèi)部，輸出功率水平的變化是通過控制放大電路輸出的調(diào)制器電路實現(xiàn)的。RPCM通過TXIP接口控制調(diào)制器電路的參考值。Main和Aux高功率放大器的輸出功率相似，但是它們的電路設(shè)計不同，而且Main和Aux發(fā)射機對發(fā)射占空比的要求不同。發(fā)射單元不同模塊的BITE信息被發(fā)送到TXIP，TXIP還與2個RPCM相連接。供電單元引入了模塊化設(shè)計，具有一個主輸入，為發(fā)射單元組件的不同模塊提供48 V和12 V的直流輸出電壓。

接收機單元由預(yù)選濾波器、射頻和測試本振（RF&TO）、對數(shù)放大和相位檢測（LOG&PD）、接收機控制和監(jiān)視（RXCM）等組件組成。SIR-S接收單元作用為：①接收預(yù)選濾波器組件來的SUM、DELTA、OMNI信號；②將 RF 信號 (1 090 MHz)下變頻到中頻(60 MHz)；③在信號中頻放大時按照ICAO規(guī)范對信號進(jìn)行濾波。信號中頻放大是通過對數(shù)放大器實現(xiàn)的，對數(shù)放大器能夠保持幅值與相位的匹配關(guān)系，提取相位信息，將中頻信號轉(zhuǎn)換為視頻信號。

1.2 系統(tǒng)監(jiān)控方式

一碗水雷達(dá)站二次雷達(dá)的監(jiān)控方式有SSR LCP與控制和監(jiān)測系統(tǒng)（Control Monitoring System，CMS）。通過二次雷達(dá)本地控制面板SSR LCP，可以觀察系統(tǒng)運行情況并根據(jù)需要對二次雷達(dá)進(jìn)行控制，如開關(guān)輻射、切換通道等操作。CMS主要負(fù)責(zé)監(jiān)測雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)，并控制雷達(dá)系統(tǒng)。CMS能夠連續(xù)對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，實時顯示告警信息，提供人機接口界面，保存日志和數(shù)據(jù)。此外，還能提供狀態(tài)報告和診斷信息，并能通過顏色圖形表示設(shè)備故障的類型和位置，同時提供聲音報警。

除此之外，當(dāng)設(shè)備中某一塊板件發(fā)生故障告警時，也可以通過機柜中板件的告警指示燈直觀地觀察板件是否有異常。同時，系統(tǒng)還配備有雷達(dá)監(jiān)視管理系統(tǒng)，可以處理雷達(dá)系統(tǒng)本地或遠(yuǎn)程的操作和信號，接收每個設(shè)備的狀態(tài)信息，并切換冗余設(shè)備的主備用關(guān)系、在監(jiān)測設(shè)備上給出信息等。診斷性信息能通過雷達(dá)數(shù)據(jù)線或單獨的線傳送到工作站點，使得工作站點能遠(yuǎn)程控制整個雷達(dá)頭。雷達(dá)維護(hù)監(jiān)視器（Radar Maintenance Monitor，RMM）能以圖像顯示雷達(dá)在周圍環(huán)境中的工作情況和性能，可以利用RMM觀察整個雷達(dá)系統(tǒng)的工作情況、有無干擾等[4]。

綜上所述，一碗水雷達(dá)站對于設(shè)備的監(jiān)控有多種方式，能夠在發(fā)生故障時幫助工作人員準(zhǔn)確定位故障點，快速排查和處理故障。

2 故障分析與處置

2.1 故障現(xiàn)象

查看SIR-S二次雷達(dá)設(shè)備的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)了以下告警現(xiàn)象，一是CMS上出現(xiàn)二次雷達(dá)A通道發(fā)射機射頻源與調(diào)制模塊告警、對數(shù)放大和鑒相模塊告警，二是詳細(xì)告警顯示測試振蕩器故障、對數(shù)控制和通道故障以及下變頻和射頻控制故障[5]。查看SSR LCP監(jiān)控，同樣發(fā)現(xiàn)A通道告警，發(fā)射機和接收機告警燈亮。查看二次雷達(dá)A通道設(shè)備機柜，發(fā)現(xiàn)發(fā)射機告警指示燈亮。

2.2 故障分析

通過以上的觀察，可以確定是A通道發(fā)射機故障。對CMS、LCP等監(jiān)控進(jìn)行操作來定位故障點，以此進(jìn)行下一步故障排查。

首先，在LCP上對A通道的TX和RX進(jìn)行保護(hù)復(fù)位，復(fù)位后如果告警仍存在，說明并非誤告警；其次，檢查A通道發(fā)射機各接線部分是否因松動而造成故障，檢查完畢后重啟A通道，重啟完成后如果告警未消除，說明并非連線的問題。此外，判斷是否為板件故障。根據(jù)監(jiān)視顯示，A通道發(fā)射機故障且影響到后面接收機中的射頻和測試本振、對數(shù)放大和相位檢測模塊產(chǎn)生告警。射頻和測試本振在物理上可以分為兩個部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別為RF和TO。RF由限幅器和耦合器組件、低噪聲放大器組件、帶通濾波器（Band-Pass Filter，BPF）組件以及混頻器組件組成。通過限制RF功率電平來保護(hù)接收機免受強輸入信號損壞，同時將來自TO的測試信號鏈接到3路接收鏈的自動環(huán)路控制上來評估接收機性能[6]。TO部分負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于測試接收機功能的測試目標(biāo)信號。RF中混頻器的作用是將接收到的 RF 信號與發(fā)射機 RF Source傳來的 1 030 MHz連續(xù)波信號混頻得到60 MHz中頻信號，經(jīng)過帶通濾波器處理后送到對數(shù)放大器。

LNA是輸入RF信號進(jìn)入的第一個放大電路，具有高增益、低噪聲特性，可以保證接收機整體的低噪聲特性。帶通濾波器的目的是在信號進(jìn)入混頻器之前濾除970 MHz的信號。通過RF電路上的電壓可變激勵器可以調(diào)整每個通道增益，從而使3個通道的增益一致。位于射頻鏈輸出位置的帶通濾波器根據(jù)ICAO規(guī)范實現(xiàn)特殊的頻率屏蔽，通過這種方式從射頻輸出到對數(shù)通道的信號已經(jīng)具有需要的頻率特性。通過接入測試信號，當(dāng)輸出信號電平落在前面確定的標(biāo)稱值附近的區(qū)間段之外時，BITE電路提供一個故障指示[7]。將 1 030 MHz信號與 60 MHz的測試本振信號在混頻器M1中混頻，通過混合這兩個信號可以得到1 090 MHz的測試信號。RF模塊的輸出是對數(shù)放大器的輸入，三路匹配對數(shù)放大器具有90 dB的增益。

對數(shù)放大器和相位檢測器模塊在物理上也可以分為兩個部分，分布在兩塊不同的印刷電路板上，分別稱為LOG和PD[8]。LOG電路由IF對數(shù)放大器組件、電壓可變衰減器、視頻放大器以及BITE模塊組成[9]。PD電路由采樣保持塊組件、限幅器組件、IF對數(shù)放大組件以及基準(zhǔn)電壓組件組成，包含有關(guān)閉三路ALC環(huán)路的電路[10]。對數(shù)中頻放大器產(chǎn)生到相位檢測器的IF信號等。幅值和相位控制器用于保持三路接收通道增益恒定。來自對數(shù)放大器的LOG SUM和LOG DELTA的60 MHz信號被送到相位檢測器。

由以上信號流程可知：①由于RF Source模塊無法產(chǎn)生 1 030 MHz連續(xù)波信號，因此 RF Source 模塊出現(xiàn)告警；②由于接收機無法接收到1 030 MHz信號，因此無法合成測試信號、也無法將射頻信號與發(fā)射機 RF Source 傳來的 1 030 MHz連續(xù)波信號混頻得到60 MHz的中頻信號，導(dǎo)致RF&TO模塊告警；③由于對數(shù)放大器和相位檢測器模塊無法接收到前級（RF電路）的中頻信號，因此該模塊告警。圖1為RF Source模塊產(chǎn)生的1 030 MHz連續(xù)波信號到RF&TO模塊和LOG&PD模塊的信號流程。

圖1 1 030 MHz 信號傳輸流程

根據(jù)以上分析，初步懷疑是RF Source模塊故障，從而引起其他模塊告警。

2.3 故障處置

確定故障點后，根據(jù)以下步驟對RF Source板件進(jìn)行更換。在SSR LCP監(jiān)控軟件上，確認(rèn)處于本地控制狀態(tài)，關(guān)閉主用通道的輻射（一旦主用通道輻射關(guān)閉，備用通道的輻射也自動關(guān)閉），然后選擇A通道的Chanel Configuration=>update setting，在這個頁面選擇“system shut down”按鈕（關(guān)閉A通道的RPCM軟件），最后等待SSR LCP監(jiān)控軟件顯示RPCM狀態(tài)為紅色。在A機柜上點擊Power on按鈕（關(guān)閉），再依次從右至左關(guān)閉TX、RX、RPCM、MainLine空開，依次關(guān)閉機柜各電源組件。更換RF Source板件備件，換好備件之后在A機柜上依次從右至左開啟TX、RX、RPCM、MainLine空開，再點擊“Power on”按鈕（開啟），等待2、3 min后RPCM啟動，檢查SSR LCP上是否有告警，確定無告警后開啟輻射。開啟之后觀察監(jiān)控及設(shè)備，發(fā)現(xiàn)告警消失，設(shè)備運行正常。然后將A通道切換為主用，觀察一段時間后，確認(rèn)設(shè)備信號正常。由此，可以確定告警是RF Source板件故障引起的，處置方法正確。

3 結(jié) 論

隨著雷達(dá)設(shè)備模塊化程度越來越高，對于雷達(dá)故障的定位也將會越來越準(zhǔn)確、快速。當(dāng)然，這一切的實現(xiàn)都離不開工作人員的知識技能儲備，要求工作人員對雷達(dá)信號流程十分熟悉，對雷達(dá)各個模塊的功能也要了然于心。模塊之間的相互聯(lián)系可能會導(dǎo)致其中一個模塊出現(xiàn)故障時整個監(jiān)控上產(chǎn)生復(fù)雜的告警信息，這時就需要更沉著冷靜地進(jìn)行分析，利用多種手段來快速定位故障點并解決故障，為目前安全要求越來越高的民航事業(yè)做好基本的飛行保障。