周志軍 侯淑芳

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226010）

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，帶動(dòng)了造船業(yè)迅猛發(fā)展。相對(duì)于歐洲、日本等，我國(guó)的船舶電子設(shè)備裝船率很低，尤其是船舶導(dǎo)航雷達(dá)。船用導(dǎo)航雷達(dá)是船用導(dǎo)航設(shè)備重要的組成部分，一般由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理以及顯示設(shè)備等組成。通過(guò)對(duì)外發(fā)射固定頻率的電磁波來(lái)檢測(cè)回波信號(hào)，并結(jié)合其他導(dǎo)航設(shè)備和傳感器獲取數(shù)據(jù)。它的核心部件接收機(jī)主要分為接收前端與中頻處理兩個(gè)部分。其中，性能指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，以達(dá)到接收高質(zhì)量雷達(dá)回波圖像的目的。

1 船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)HLD-RADAR 900/900C介紹

海蘭信船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)HLD-RADAR 900/900C系列產(chǎn)品通過(guò)了CCS/DNV-GL船級(jí)社工廠認(rèn)證，支持符合IMO/SOLAS公約和最新雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)范（IEC 62388—2013）的標(biāo)準(zhǔn)。它具有獨(dú)立的雷達(dá)海圖，可作為備份ECDIS使用；支持中、英文界面；最多可捕獲100個(gè)雷達(dá)目標(biāo)，后臺(tái)自動(dòng)跟蹤最多達(dá)10000個(gè)；最多支持100個(gè)激活船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）目標(biāo)，總共支持1000個(gè)AIS目標(biāo)（包括激活狀態(tài)和休眠狀態(tài)的AIS目標(biāo)）；支持AIS目標(biāo)和自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀（Automatic Radar Plotting Aid，ARPA）目標(biāo)融合；支持電子航海圖（Electronic Navigational Charts，ENC）。HLDRADAR 900/900C主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 HLD-RADAR 900/900C系列船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

由表1可知，HLD-RADAR 900/900C船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)工作波段以X波段和S波段為主，采用4段脈沖調(diào)制的工作方式，工作頻率分別為（9410±30）MHz和（3050±15）MHz。前者有較高的方位分辨力，有利于近距離探測(cè)；后者受雨雪雜波和海浪雜波的干擾較小，電磁波經(jīng)過(guò)雨區(qū)的衰減也小，有利于遠(yuǎn)距離探測(cè)。

2 雷達(dá)接收機(jī)調(diào)試必要性分析

2.1 雷達(dá)接收機(jī)結(jié)構(gòu)組成

船用導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)近距離有不同的需求。近距離時(shí)，它要求目標(biāo)精準(zhǔn)度更高；遠(yuǎn)距離時(shí)，它要求目標(biāo)回波信號(hào)幅度要大，具有發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)能力，作用距離遠(yuǎn)。HLD-RADAR 900/900C船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)雷達(dá)接收機(jī)采用一級(jí)變頻超外差的結(jié)構(gòu)方式。

接收機(jī)包括射頻接收前端和中頻放大檢波兩個(gè)部分。射頻接收前端主要將射頻信號(hào)變頻至中頻，主要由限幅器、低噪聲放大器、抑制混頻器以及本地振蕩器等組成。中頻放大檢波則將中頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)濾波、放大及解調(diào)等，最后檢波輸出得到視頻信號(hào)。它主要包括中頻放大器、中頻濾波器、對(duì)數(shù)放大器及視頻放大器等。HLD-RADAR 900/900C船用導(dǎo)航雷達(dá)接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2 雷達(dá)接收機(jī)調(diào)試必要性分析

船用導(dǎo)航雷達(dá)接收機(jī)的主要作用是從眾多電磁波信號(hào)中檢測(cè)所需的有用信號(hào)，并無(wú)損放大有用信號(hào)，再由檢波器檢波將輸出視頻脈沖等信號(hào)傳輸?shù)浇K端設(shè)備[1]。電磁波在空間傳播過(guò)程中，由于空間傳播的多徑效應(yīng)，傳播過(guò)程中介質(zhì)損耗較大，且目前電磁環(huán)境復(fù)雜、遠(yuǎn)目標(biāo)回波微弱等因素，導(dǎo)致雷達(dá)接收的回波信號(hào)出現(xiàn)干擾信號(hào)比有用信號(hào)強(qiáng)的情況[2]。

這里以HLD-RADAR 900/900C船用雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RCV）的調(diào)試過(guò)程為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)接收機(jī)RCV電路板進(jìn)行4波段的脈沖調(diào)試，獲取實(shí)際數(shù)據(jù)并計(jì)算分析，以提高接收機(jī)的高靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，使得雷達(dá)接收機(jī)同時(shí)具備處理近距離目標(biāo)強(qiáng)反射和遠(yuǎn)距離微弱回波信號(hào)的能力。在雨雜波和海雜波的干擾下，調(diào)試人員需要著重測(cè)試抑制帶外噪聲的匹配濾波器。為了優(yōu)化性能，需要不斷調(diào)試脈沖波的一些參數(shù)與設(shè)計(jì)，確保優(yōu)良的中頻濾波器的穩(wěn)定輸出與工作，使得靈敏度等特性符合要求。

3 雷達(dá)接收機(jī)RCV調(diào)試準(zhǔn)備

3.1 儀表工裝

調(diào)試實(shí)施前，調(diào)試人員需要確保所需的調(diào)試器材。所有的測(cè)試儀器儀表都需要校正，且在12個(gè)月的有效期內(nèi)校正。同時(shí)，調(diào)試人員需要檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)軟件、工裝線纜以及接頭等輔件，確保一切準(zhǔn)備到位[3]。

接收機(jī)主要調(diào)試工裝如下：安裝好調(diào)試軟件和配有422串口的計(jì)算機(jī)；信號(hào)發(fā)生源和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；示波器（350 MHz帶寬）；雙路電源；數(shù)字萬(wàn)用表；專(zhuān)用SMA測(cè)試線；波導(dǎo)轉(zhuǎn)N型接頭；N型射頻連接電纜。

使用示波器測(cè)量視頻信號(hào)時(shí)，需要匹配75 Ω負(fù)載；在焊盤(pán)上焊一根地線，以便調(diào)試過(guò)程中示波器接地；工裝和接地線不用時(shí)，使用絕緣膠帶包襄，以免對(duì)印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）造成傷害。

3.2 RCV接收板硬件檢查

調(diào)試人員需要檢查電路板外觀情況，查看元器件是否出現(xiàn)有錯(cuò)裝、多焊、漏裝、錯(cuò)連以及歪斜松動(dòng)等現(xiàn)象[4]。RCV接收板各主要調(diào)試點(diǎn)見(jiàn)表2，實(shí)物結(jié)構(gòu)圖和調(diào)試點(diǎn)如圖2所示。

表2 RCV接收板主要調(diào)試點(diǎn)介紹

調(diào)試人員測(cè)量并核實(shí)元器件額定值，重點(diǎn)檢查電容、二極管及三極管等有極性要求的元器件，如鉭電容和鋁質(zhì)電容等，確保每個(gè)元器件值正常。

3.3 靜態(tài)電源檢查

通電前，調(diào)試人員需要檢查電路板電源，以免出現(xiàn)短路情況[5]。短路測(cè)試點(diǎn)如表3所示。

表3 短路測(cè)試點(diǎn)介紹

4 雷達(dá)接收機(jī)RCV調(diào)試過(guò)程

4.1 調(diào)試步驟

電路板調(diào)試按照如圖3所示的步驟流程逐步測(cè)試。測(cè)試前準(zhǔn)備記錄單記錄相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，并分析所記錄的內(nèi)容是否符合要求。

4.2 RCV接收板設(shè)置

RCV接收板在測(cè)試前先將IF測(cè)試點(diǎn)和GND（電線接地端）連接SMA測(cè)試線（焊接時(shí)不通電、不連接儀表）。信號(hào)源通過(guò)SMA測(cè)試線連接到RCV接收板，如圖4所示。

所有儀表在使用前需要先開(kāi)啟電源預(yù)熱30 min，電路板預(yù)熱30 min。RCV接收板輸出的視頻信號(hào)通過(guò)示波器探頭連接輸入示波器，其中示波器需要設(shè)置為75 Ω匹配輸入。RCV接收板使用的電源電壓范圍見(jiàn)表4。

表4 RCV接收板電壓范圍

4.3 濾波器調(diào)試

濾波器先匹配濾波中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)最大信噪比輸出，中頻放大器再將中頻信號(hào)放大到檢波器正常工作所需要的功率。輸入信號(hào)BWO和BW1調(diào)試設(shè)置見(jiàn)表5。其中，輸入信號(hào)狀態(tài)部分，1表示懸空，0表示接地。

表5 BWO和BW1調(diào)試設(shè)置

4.3.1 20 MHz濾波器調(diào)試

（1）設(shè)置信號(hào)源頻率為60 MHz，功率為0 dBm，模式為CW，開(kāi)環(huán)。調(diào)試人員先觀察示波器，打開(kāi)信號(hào)源RF開(kāi)關(guān)，確保IF信號(hào)輸出為60 MHz±1%。若IF信號(hào)大于800 mV（管腳空接），則關(guān)閉RF。 20 MHz濾波器CW開(kāi)環(huán)調(diào)試過(guò)程見(jiàn)表6。

表6 20 MHz濾波器CW開(kāi)環(huán)調(diào)試

（2）設(shè)置信號(hào)源頻率為60 MHz，功率為0 dBm，模式為PW，閉環(huán)。脈寬為800 ns±1%，脈沖周期為1 ms±3%，打開(kāi)信號(hào)源RF開(kāi)關(guān)。

BW0接GND、BW1懸空狀態(tài)，此時(shí)接收機(jī)處于20 MHz濾波器狀態(tài)，調(diào)整RV1使VIDEO信號(hào)達(dá)4.3 V 左右。若信號(hào)小于500 mV，則信號(hào)源功率調(diào)整到-85 dBm， 查看是否被噪聲淹沒(méi)，并記錄最佳狀態(tài)數(shù)據(jù)。

信號(hào)源功率衰減時(shí)，信號(hào)幅度同樣在減弱。為保證功率為0 dBm，信號(hào)幅度最大。例如，功率為-30～0 dBm 時(shí)，信號(hào)幅度增加。因此，在-30 dBm調(diào)節(jié)噪聲幅度，然后回到0 dBm，重新調(diào)節(jié)VIDEO信號(hào)。20 MHz濾波器PW閉環(huán)調(diào)試過(guò)程見(jiàn)表7。

表7 20 MHz濾波器PW閉環(huán)調(diào)試

4.3.2 5 MHz濾波器調(diào)試

5 MHz濾波器使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行調(diào)試。首先，儀器開(kāi)機(jī)后進(jìn)行雙通道校準(zhǔn)，頻率范圍選擇55～65 MHz。校準(zhǔn)時(shí)，直通量校準(zhǔn)使用專(zhuān)用工裝線纜。校準(zhǔn)后先設(shè)置測(cè)量為S21，格式為插入損耗，Scale設(shè)置為2，Position設(shè)置為5，Level設(shè)置為-8。顯示器顯示差損為0 dB，校準(zhǔn)后在Port1接入20 dB衰減器，Scale設(shè)置為5，此時(shí)測(cè)試插入損耗接近-20 dB，至此矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校驗(yàn)結(jié)束。

功率設(shè)置為0 dB，選擇BW1接GND、BW0懸空狀態(tài)，此時(shí)接收機(jī)處于5 MHz濾波器狀態(tài)，專(zhuān)用線分別焊接AB和EF處。其中，A為輸出GND，B為輸出IF，E為輸入IF，F(xiàn)為輸入GND。線纜焊接完成后，E端連接Port1，B端連接Port2，保持Port1連接20 dB衰減器，然后電路板上電后節(jié)D處的L13和L14。

4.4 調(diào)諧指示調(diào)試

首先，設(shè)置信號(hào)源頻率為60 MHz，功率為0 dBm， 模式為CW，觀察示波器；設(shè)置信號(hào)源頻率60 MHz，功率為0 dBm，模式為PW，脈寬為800 ns±1%，脈沖周期為1 ms±3%，打開(kāi)調(diào)制和射頻。

其次，RCV接收板上電，GATE_TUNE管腳接GND。通過(guò)調(diào)節(jié)RV2和L27使得LED指示燈亮，并找出TUNE_IND輸出小于5 V電壓中的最大值（電位器RV2調(diào)節(jié)到最小后，再調(diào)節(jié)L27并找到最大調(diào)諧指示電壓輸出，最后微調(diào)V2使調(diào)諧指示電壓輸出不大于5 V）。

最后，增加頻率或者減少頻率，TUNE_IND的電平值均會(huì)下降。調(diào)試該步驟時(shí)，設(shè)置信號(hào)源頻率調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1 MHz，保證60 MHz時(shí)輸出電平最大。調(diào)諧指示調(diào)試過(guò)程見(jiàn)表8。

表8 調(diào)諧指示調(diào)試

如果TUNE_IND輸出異常，檢查Q3、Q4、TP5、Q6、TP6、Q7及U7等輸出信號(hào)。將測(cè)試完的RCV單板安裝到整機(jī)，之后需要微調(diào)點(diǎn)蠟。

5 雷達(dá)接收機(jī)RCV調(diào)試常見(jiàn)故障及解決方法

5.1 接收機(jī)靈敏度損失，閉環(huán)跟蹤電壓不夠

可能原因：調(diào)諧指示電路手動(dòng)和自動(dòng)的調(diào)整電壓值不匹配，調(diào)諧放大器的L27頻率有誤，增益設(shè)置 不當(dāng)。

解決方法：重新調(diào)整RV2和校準(zhǔn)TUNE REG電壓值。

5.2 接收機(jī)無(wú)視頻信號(hào)輸出，且無(wú)噪聲電平

可能原因：射頻前端和中頻單元故障或者電源 故障。

解決方法：排除電源故障或更換前端。

5.3 接收機(jī)靈敏度不夠

可能原因：接收機(jī)本振頻率調(diào)節(jié)電壓不正確、中頻前置放大器增益太低、接收機(jī)中頻濾波器選擇不正確、對(duì)數(shù)中放U2燒毀或者對(duì)數(shù)中放U4的噪聲 過(guò)大。

解決方法：重新調(diào)整VCO調(diào)節(jié)電壓（使得IF頻率為60 MHz），檢查前置中頻放大器Q1和Q2有無(wú)故障，檢查濾波器帶寬和濾波器選擇電路，檢查對(duì)數(shù)中放U2器件是否損壞。

5.4 動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小

可能原因：對(duì)數(shù)中放U4燒毀、視頻放大器U5增益過(guò)大。

解決方法：確定U4損壞后，更換元器件，重新調(diào)整電位器V1，降低U5增益。

5.5 回波信號(hào)失真

可能原因：電位器RV1調(diào)整不正確。

解決方法：重新調(diào)整電位器值，使得視頻放大器不飽和。

6 結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)接收機(jī)屬于模擬器件的結(jié)合。調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員需要嚴(yán)格按照調(diào)試步驟執(zhí)行，調(diào)試完成后總結(jié)和填寫(xiě)調(diào)試報(bào)告，不斷累積經(jīng)驗(yàn)，以便后續(xù)調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中需要注意，記錄數(shù)據(jù)必須及時(shí)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與調(diào)整，確定是否符合IMO/SOLAS公約和最新雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)范（IEC 62388—2013）的標(biāo)準(zhǔn)要求及技術(shù)規(guī)范。若有不符合的項(xiàng)務(wù)，必須及時(shí)解決。