某雷達發射機高功放驅動功率過大問題分析與解決

高 鈺，李 婧，石建平，王 龍

（63623部隊，甘肅 酒泉 735000）

雷達發射分系統是連續波高精度測速設備的重要組成部分，主要任務是完成上行射頻信號的產生、放大、濾波和饋送。高功放分機是發射機的核心部分，主要由供電電路、驅動監控單元、功率放大單元（6個）、功率分配移相器和功率合成耦合檢波器等部分組成，主要完成上行射頻信號的功率放大、功率控制和信號濾波等任務。針對高功放B機在閉環輸出700 W功率時發生驅動功率過大報警的現象，通過分析和測試，應用合理有效的診斷方法，很快發現了問題原因，并制定了解決措施。經過拆機維修和整改，高功放驅動功率過大告警現象消失，順利通過了后期各項任務聯試和實施。但在設備運行保障、系統故障排除方面缺乏足夠多的經驗，對此需要在實踐中不斷加以歸納與總結。本文將以此次故障的分析和解決探討適應測控雷達排除故障的一般原則和方法。

1 高功放分機組成與原理

雷達發射分系統高功放分機主要完成規定要求的功率放大、設置、調整和自動穩定功能，且具有完善的監控和安全保護功能。其分為A機和B機，每個分機主要組成包括驅動控制模塊、收阻濾波器、功率分配移相器、功率放大單元、功率合成器和雙向定向耦合器等。

高功放分機工作原理是：射頻激勵信號送入驅動監控單元，經驅動放大和電平控制后送入功率分配移相器進行等幅同相分配，分別送入六路功率放大單元，由功率放大單元進行功率放大，最后由功率合成器進行功率合成，從而獲得大于700 W的高功率上行射頻信號輸出。

1.1 驅動控制模塊工作原理

驅動監控單元是發射分系統高功放的重要組成部分，其完成對上行射頻信號的驅動放大、高功放分機的監控功能，包括監控組件、驅動控制模塊和電源等部分。

其中，驅動控制模塊用來實現對上行射頻信號的驅動放大和電平控制功能，其組成如圖1所示。上行射頻信號經五級的功率放大后，達到規定要求的功率增益和驅動功率輸出指標，完成驅動放大功能；在多級放大鏈的合適位置串接PIN衰減器、數控衰減器和模擬衰減器，用以實現停發功率、功率設置、功率調整和功率穩定等整機功率電平控制功能；同時，通過耦合檢測電路給出驅動功率信號的監視和顯示信息及模塊的故障檢測信息。

圖1 驅動控制模塊組成框圖

1.2 功率放大單元工作原理

功率放大單元主要用來實現高功放分機規定要求的功率放大功能，在前級驅動放大輸出信號的基礎上提供足夠高的功率增益和輸出功率。

首先將驅動分路信號進行兩級預放，然后進行分路，分路后再進行功率放大與合成，經耦合、隔離后，最終輸出大于160 W的功率信號；偏置電路為各級放大器提供正確的電源供給；耦合檢測及控保電路能夠為功率放大模塊提供可靠的安全保護，同時給出模塊輸出功率、反射功率的監視和顯示信息及模塊的故障檢測信息。

2 高功放驅動功率過大問題的分析與解決

2.1 問題現象及分析

連續波雷達高功放B機在閉環輸出700 W功率時發生驅動功率過大報警。根據發射機工作原理和信息流程，首先檢測上行射頻信號功率是否正常，使用功率計測量得出輸出正常的結論。因此，故障定位于高功放分機內部。然后根據高功放分機工作原理，繪制故障樹，故障樹依據獲取的故障征兆和故障樹節點間的正向邏輯關系，借助節點式或門結構表示方法逐層進行推理，直到達到故障樹根節點或推理終點為止。如圖2所示。

圖2 連續波設備發射機高功放B機閉環輸出700 W時驅動功率過大告警故障樹

由故障樹可知，引起驅動功率過大報警的原因可分為2類。

（1）驅動監控單元故障，包括驅動功率檢波器性能下降、輸出功率檢波器性能下降和驅動控制模塊故障，即X1、X2和X3。

（2）單個或者多個功率放大單元輸出功率下降，即X4—X9。

第一類原因，由于檢波器和驅動控制模塊整體封裝的原因，無法從電路原理判斷是否出現故障，故采用替代法判斷是否存在故障。從高功放A機驅動監控單元拆卸檢波器和驅動控制模塊，代換B機監控單元驅動功率檢波器、輸出功率檢波器和驅動控制模塊，設備開機輸出700 W功率閉環后故障依舊。通過替代法，排除引起驅動功率過大報警的第一類原因。

第二類原因，包括單個或者多個功率放大單元輸出功率下降，即X4—X9。由于測試儀器的局限，無法直接測量單個功率放大單元增益值，因此不能直接逐個排除X4—X9等6項原因。為此，采取間接法進行比對單個功放單元電流值和輸出功率。

首先，使發射機工作在“小信號B-XXMHz-高功放B機-負載”模式下，ALC閉環輸出功率100 W，記錄此時各功放單元的電流值，見表1。

表1 高功放B機閉環輸出100 W時各功放單元電流值

其次，采用微波信號源和頻譜儀測量單個功放單元輸出功率值。測試方法如下：首先將微波信號源信號E4428C輸出端口連接至六分路器輸入端的濾波器信號輸入口，將高功放B機功率合成正向耦合輸出，端口連接至頻譜儀AV4032B信號輸入口，線纜連接如圖3所示；然后設置微波信號源E4428C輸出信號頻率為XXMHz，功率大小值為20 dBm，依次開啟單個功放單元，記錄單個功放單元工作條件下的耦合口功率測試值，見表2。注：信號源連接電纜衰減大約2.1 dB，頻譜儀連接電纜衰減

圖3 單個功放單元輸出功率測量線纜連接圖

表2 高功放B機單個功放單元工作條件下正向耦合口功率測試值

大約3 dB，功率合成正向耦合口衰減50.45 dB。

從表1可知，高功放B機閉環輸出100 W時功放單元B5工作電流值最??；從表2可知，功放單元B5輸出功率測試值同樣為最小，由此判斷功放單元B5存在故障的可能性非常大。

功放單元B5內部微帶電路原理如圖4所示。圖中，A1為12 W固態功放模塊，A2、A3、A4、A5和A6為60 W固態功放模塊。A1和A2將驅動信號進行兩級預放，然后進行分路，分路后再由A3、A4、A5和A6進行功率放大與合成，經耦合、隔離后，最終輸出160 W的功率信號。由表1和表2結果可知，固態功放模塊A1和A2不存在問題，否則無法輸出功率；另一方面，功放單元B5電流值和輸出功率最小，懷疑固態功放模塊A3、A4、A5和A6其中某一個或者幾個出現損壞現象。因此，需要檢查固態功放模塊A3、A4、A5和A6是否存在問題。

圖4 功率放大單元B5內部微帶電路原理圖

拆開高功放B機功放單元B5抽屜，打開內部微帶電路蓋板，立即聞到電路燒焦的氣味，固態功放模塊A4輸出管腳處微帶電路板被灼燒變黑，輸出管腳與微帶線斷路；固態功放模塊A3、A5、A6輸出管腳焊錫不同程度存在汽化、燒黑、不規則變形現象，如圖5所示。固態功放模塊A4輸出管腳與微帶電路斷路，從而使功放單元B5電流小和輸出功率偏小。至此，可確定功放單元B5輸出功率下降（X8）為驅動功率過大告警原因之一。

圖5 高功放B機功放單元B5抽屜實物圖

經過拆機，確定了高功放B機驅動功率過大報警的原因：功放單元B2、B3、B4和B5內均存在一個固態功放模塊輸出管腳斷路，造成4個功放單元輸出功率下降，從而引起高功放B機閉環輸出700 W功率時驅動功率過大報警。

分析固態功放模塊輸出管腳焊點處斷路以及焊錫不同程度存在汽化、燒黑、不規則變形現象的原因，主要是由于溫度過高。而引起溫度過高的原因主要有2方面。

一方面是器件設計和散熱設計缺陷：60 W固態功放模塊A3、A4、A5和A6均為TIM5359-60SL，該模塊輸出管腳寬度僅為0.7±0.05 mm，厚度為0.1±0.05 mm，管腳橫截面積約為0.07 mm2，輸出管腳焊點橫截面過小且散熱不良導致焊點自身熱阻較大；固態功放模塊長時間工作在12~16 A的大電流條件下，焊點熱量不斷聚集，溫度急劇上升，當溫度超過200℃時將導致管腳處焊錫發生汽化、燒黑、不規則變形甚至斷路現象。

另一方面是焊接工藝問題：焊接是電子產品組裝過程中的重要工藝。焊接質量的好壞，直接影響電子電路以及電子裝置的工作性能。固態功放模塊輸出管腳寬度和厚度均非常小，當電路連接時出現虛焊、焊接溫度過高或者過低都有可能使焊點質量變差，從而增加焊點的熱阻。當固態功放模塊長時間大電流工作時，熱量不斷聚集，焊點溫度急劇上升，會導致管腳處焊錫發

生汽化、燒黑、不規則變形甚至斷路現象。

2.2 解決措施

經過綜合分析與解決，高功放B機在閉環狀態輸出700 W功率時驅動功率正常，故障現象消失，解決措施如下。

（1）更換功放單元被灼燒斷路的微帶電路板以及相應的固態功放模塊，掌握過程關鍵項控制，提高設備檢修工作效率。

（2）使用脫脂棉蘸酒精擦拭所有固態功放模塊輸入輸出管腳焊錫，優化焊接工裝，提高焊接一致性和穩定性。

（3）測試檢查各功率放大單元固態功放模塊線電路狀態良好情況，并定期進行檢查維護，加強技術技能，提高解決故障能力。

采用故障樹的節點式知識表示方法和過程推理機制處理了設備的故障，也有了一定的思路和解決問題的決策。故障樹分析法和故障診斷方法，對于解決故障問題，得到了充分的應用。因此，對于測控雷達故障診斷問題來說，故障排除的一般原則和方法是十分必要的。

3 測控雷達故障排除的一般原則和方法

3.1 故障排除的一般原則

雷達設備在執行任務時，會發生各種各樣的故障。雖然故障的發生存在偶然性，似無規律可循，但是無論多么復雜的故障都有其發生的機理及原因，這是其必然的一面。因而，總結故障發生及排除的一般規律，對于快速定位和排除故障、不推遲任務程序有著很重要的意義。對排除故障而言，好的分析方法就意味著成功了一半。因此在雷達驅動功率過大問題排除實際故障時，根據高功放的工作原理和崗位工作經驗，總結遵循“先狀態后設備”“先電纜后儀器”“先外圍后核心”的一般性故障排除原則，也是故障定位與分析過程中的一般性原則。

（1）先狀態后設備。所謂“先狀態后設備”，是指故障現象發生后，應首先檢查設備狀態參數設置是否正確、操作動作是否失誤、時機是否恰當和面板狀態是否正常等，然后再檢查設備是否出現故障。也就是說，故障的分析與定位應先排除人為及外部因素。當確定人為及外部因素無影響時，再分析設備相關部件。

（2）先電纜后儀器。在確定無人為失誤的情形下，若故障依舊，應先對電纜插接情況進行檢查，無誤時再對儀器工作狀態進行檢查。多次故障原因分析表明，相當一部分故障是由電纜插接方面的原因引起的，均是通過對電纜、插頭插接情況進行更正得以排除。

（3）先外圍后核心。所謂“先外圍后核心”，是指將故障分為外圍設備和核心設備兩部分來分步查找原因，即發生故障時先對外圍設備進行檢查，這包括外圍控制保護電路、電源和電纜接口等，若依舊未能發現故障原因，則進一步從核心設備本身查找原因。此處將故障一分為二，是因為從設計可靠性角度上講，核心設備各部件質量要求較外圍設備高。

3.2 故障排除的方法

由于雷達設備是一個集機械、電子和電氣等一體化的復雜結構，因而可能會出現各種突發故障，需要在最短時間內探明原因并排除，為了做到這一點，除了熟悉整個系統的工作流程，掌握系統的運行狀況，再結合上述故障排查處置方法，進行綜合歸納與總結，為圓滿完成實驗任務打牢基礎。

（1）例推法。例推法也叫倒推法，即通過對故障現象的分析來查找故障原因。這種方法的優點是故障現象明確、分析思路清晰直觀。

如某設備進行指示單元檢查時，控制面板上的“A、B”燈全部不亮，加電無法開啟該單元設備。從電路原理分析得知，以上兩個現象同時說明一個問題，即該單元設備電源無輸出，需要檢查該電源輸入是否正常，經檢查發現保險管燒壞，更換后所有指示燈恢復正常，設備加電開啟正常。

（2）排除法。排除法就是對故障發生的原因進行列舉，排除掉導致故障可能性較小的原因，逐步對故障進行定位。這種方法是故障原因查找時較為常用的一種方法，因為某個故障的發生往往可能是多個原因導致的，而分別對這些原因加以確定的難度往往也是不一樣的，某些原因通過更換備件或備機來確定，某些原因也可通過對相關指標的測量來確定。通過對所有可能原因的逐一分析找出可能性較大的。為了直觀及分析方便，亦可畫出故障樹來對所有原因進行甄別。

（3）替換法。通過用插件板、儀器、備件或整臺儀器來更換故障相關配件，結合故障機理分析，加速故障定位。相關器件的更換可考慮采取“先易后難”“先電纜后儀器”“先外圍后核心”“先整體后部分”的原則，逐步縮小可能故障原因范圍。當故障原因不明確，存在的疑點較多時，這種方法是簡單、有效且快捷的故障定位方法。

（4）試探法。試探法是指為獲得足夠的故障相關信息，而對故障相關項目和內容有目的、有選擇地加以測試，從而確定故障點的一種方法。在分析排除故障時，若是故障相關信息較少會使故障分析顯得困難。此種情況下，有計劃地對相關環節進行測試和試探，獲取和掌握更多的故障信息，為故障分析提供信息支撐。

故障的處置依情形而定，沒有固定的模式。通常情況下，按應急預案進行處置。而應急預案之外的情形下處置故障：若是故障會對儀器和設備造成損害，應立即斷電。若非則首選保持狀態以觀察和記錄。

4 結束語

雷達設備是基地航天任務重要的測控設備之一。雷達的可靠性和穩定性直接關系到任務成功與否。雖然順利排除了此次雷達發射機驅動功率過大問題，圓滿完成了后期的所有任務，但在后續工作中仍然要結合高功放驅動功率值、ALC閉環電壓值、各功放單元電流值以及功放單元正反向耦合功率值，加強對發射機各功放單元狀態的監視，運用日常積累的工作經驗，掌握一定的技巧和方法才能及時發現問題隱患并及時排除故障，使設備更快地恢復正常運行，確保各項試驗任務圓滿完成。