某型飛機(jī)接收前端增益不合格故障分析

閆非凡 陳莉華

摘要：某型接收前端在整機(jī)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)增益測試指標(biāo)不合格故障。為解決增益不合格問題，建立故障樹，按照信號流通走向逐一進(jìn)行排查，深入分析了導(dǎo)致產(chǎn)品性能不達(dá)標(biāo)的多個可能因素，為查找和分析類似故障提供參考。

關(guān)鍵詞：接收前端；增益；放大器；混頻

Keywords：receive front-end；gain；amplifier；mixer

0 引言

接收前端是某型飛機(jī)火控雷達(dá)系統(tǒng)中的微波模塊，安裝于飛機(jī)機(jī)頭雷達(dá)艙中。該產(chǎn)品由精密PIN電調(diào)衰減器、低噪聲場效應(yīng)放大器、帶PIN電調(diào)衰減的鏡像抑制混頻器、功分器及兩路中頻放大器構(gòu)成，完成微波接收、低噪聲放大、混頻、中頻放大及濾波的功能，具有較高的安裝密度和可靠性，是決定雷達(dá)接收前端靈敏度的關(guān)鍵部件。

本文針對一起接收前端增益指標(biāo)不合格故障，從工作原理出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品實際，深入分析故障產(chǎn)生的原因，進(jìn)行精確定位，以形成有效的排故方法。

1 故障現(xiàn)象

使用合成信號發(fā)生器、頻譜分析儀、直流穩(wěn)壓電源和噪聲系數(shù)分析儀等搭建測試平臺，測試產(chǎn)品的指標(biāo)，并做好靜電防護(hù)措施。測試60MHz、110MHz中頻輸出，增益測試指標(biāo)結(jié)果如表1所示，60MHz、110MHz中頻增益均不滿足要求。

2 工作原理

接收前端由衰減電路Ⅰ、低噪聲放大電路LNA、衰減電路Ⅱ、混頻電路、中頻放大電路FI1、中頻放大電路FI2和電源控制電路等組成。整體原理框圖如圖1所示。

天線將接收到的射頻回波信號傳至接收前端，經(jīng)過衰減電路Ⅰ，由低噪聲放大電路LNA放大該微弱信號，減少噪聲干擾。放大的回波信號經(jīng)衰減電路Ⅱ后在混頻電路中與本振信號混頻輸出?；祛l輸出兩路信號至中頻放大電路放大濾波后輸出。其中，衰減電路Ⅰ、低噪聲放大電路LNA、衰減電路Ⅱ、混頻電路以及電源控制電路均為公共支路。以輸出的增益偏低為頂事件建立故障樹（見圖2），并對各種可能的故障分支進(jìn)行分析。

3 故障分析

電源電路、衰減電路Ⅰ和低噪聲放大電路的原理圖如圖3所示。衰減電路Ⅱ與衰減電路Ⅰ結(jié)構(gòu)相似，不再贅述。按照原理圖分析故障點。

3.1 電源電路

電源電路的原理圖如圖3所示。電源電路給低噪放電路和中頻放大電路中的放大器進(jìn)行供電。該電路主要由兩種穩(wěn)壓芯片、電容等組成。電路由外部+15V電源供電，經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片7805BT變壓為+5V，又經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX660變壓為-5V。通電情況下，用萬用表檢測7805BT和MAX660，檢測結(jié)果應(yīng)滿足表2。經(jīng)檢測，兩種芯片均能正常供電。

3.2 衰減電路

PIN二極管和GaAs MESFET均可用來制作電調(diào)衰減器，但PIN二極管在耐功率性能、低損耗等方面有顯著的優(yōu)點，特別是PIN二極管由于具有極小的寄生電參數(shù)，在微波低損耗電路中更顯優(yōu)勢。PIN二極管在正向偏壓下，導(dǎo)通阻抗很小，近似短路，在反向偏壓下則近似一個固定的小電容，阻抗很高，近似開路，而且具有隨偏壓連續(xù)改變阻抗的特性，可用于電調(diào)衰減器。此產(chǎn)品中的衰減控制電路就是利用PIN二極管這種特性對回波信號的幅度進(jìn)行衰減，以保證接收前端的后續(xù)電路不至于發(fā)生過載現(xiàn)象。電路外接供電，通過加電大小來調(diào)節(jié)回波信號衰減的功率。圖3所示為衰減電路Ⅰ，衰減電路Ⅱ與衰減電路Ⅰ原理相同。萬用表檢測4種二極管均未損壞。改變供電電壓，回波信號輸出功率連續(xù)改變，滿足指標(biāo)要求，證明衰減電路沒有問題。

3.3 低噪聲放大電路

低噪聲放大器的主要作用是直接放大天線接收的微波信號，以降低接收前端的噪聲系數(shù)，提高接收前端的靈敏度。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對各種無線通信工具的要求也越來越高，要求功率輻射小、作用距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大。這就對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求，系統(tǒng)靈敏度由下式給出：

S=-174+NF+10lg（BW）+S/N （1）

其中，NF為噪聲系數(shù)；BW為系統(tǒng)帶寬；S/N為輸入信噪比。除NF之外，各種特定無線通信系統(tǒng)中，BW、S/N已定，能有效提高靈敏度的關(guān)鍵因素是降低接收前端的噪聲系數(shù)NF，而決定接收前端的噪聲系數(shù)的關(guān)鍵部件是接收前端前級的低噪聲放大電路。低噪聲放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率范圍、增益、噪聲系數(shù)。在前端組件中，低噪聲放大電路采用了兩級放大器級聯(lián)的方式實現(xiàn)，兩級放大器具體電路如圖3所示。電路中采用了型號為ATF-36077（Q7）和ATF-13786（Q8）的兩種場效應(yīng)管，工作頻段為4～16GHz。兩種型號的芯片典型噪聲系數(shù)為0.4和0.5，噪聲系數(shù)較小。

使用ADS軟件模擬低噪聲放大電路，原理圖如圖4所示，仿真的S參數(shù)如圖5所示。查看圖5仿真結(jié)果，在9.66GHz處S（2，1）的指標(biāo)為 14.85dB，即低噪聲放大電路的增益為14.85dB。用探針檢測低噪聲放大電路的實測增益，只有5dB，電路明顯有故障。圖4已經(jīng)仿真出電路節(jié)點的電流和電壓值。用萬用表檢測Q7、Q8電壓，結(jié)果如表3所示，對照圖4可以看出Q7漏極D電壓值不正常，明顯被燒壞。

更換Q7后重新進(jìn)行檢測，兩級放大管供電電壓均為正常。通電檢測60MHz、110MHz的兩通道中頻輸出增益分別為37dB和22dB，110MHz通道滿足指標(biāo)要求。

3.4 中頻放大電路

中頻放大電路的功能是把混頻器輸出的中頻信號不失真地放大到所需的數(shù)值。在接收前端組件中，中頻放大電路包含放大、衰減、濾波、放大四個過程，其中，60MHz和110MHz兩路中頻分別經(jīng)過不同的通道輸入輸出，兩路電路原理相同。

圖6所示為60MHz中頻放大電路，電路由三級放大器、濾波和衰減電路組成。電路中電源輸入為+15V?；夭ㄐ盘栞斎牍β蕿?60dBm；輸出端口OUT1輸出頻率60MHz，輸出功率為-23dBm。60MHz輸出增益為37dB，與指標(biāo)最低要求的差值為2dB?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)π型衰減器中的電阻值來調(diào)節(jié)輸出。π型衰減器如圖6中所示。

中頻放大電路中的信號經(jīng)過放大器Q3、放大器Q2、π型衰減器、濾波器、放大器Q1后輸出。如圖6所示，π型衰減器由R5、R6、R7組成，阻值分別是91Ω、36Ω、91Ω。由工具計算出原始衰減量為7.5dB，如圖7所示。更換電阻R6，使阻值從36Ω降低至10Ω，計算衰減量為4.04dB。更換電阻后通電進(jìn)行檢測，60MHz輸出功率為-19.5dBm，回波信號功率為-60dBm，計算得出增益為40.5dB，滿足指標(biāo)要求。

4 鏡檢

在顯微鏡下進(jìn)行鏡檢，可以觀察到老化、金脆等現(xiàn)象，如圖9、圖10、圖 11中所示。老化、金脆現(xiàn)象對組件危害極大，需要及時清洗基板或重新焊接焊點。若腐蝕比較嚴(yán)重，需重新更換元器件。

清洗組件并更換腐蝕嚴(yán)重的元器件后，通電檢測，產(chǎn)品性能滿足要求。將產(chǎn)品上系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，滿足各項指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

該型飛機(jī)接收前端故障模式較多，本文僅選取其中較常見的故障進(jìn)行了分析。故障研究不局限于故障本身，重要的是排故思路和方法。建議如下：

1）為準(zhǔn)確定位故障原因，應(yīng)理清工作原理、測繪信號走向。

2）分模塊確定輸入輸出以及加電模式。

3）盡可能使故障穩(wěn)定再現(xiàn)，以便于后續(xù)排故時的驗證工作。

4）在顯微鏡下鏡檢，確保元器件、基板等沒有腐蝕、老化現(xiàn)象。

5）做好上機(jī)聯(lián)調(diào)工作，確?？梢陨蠙C(jī)使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧其諍. 微波集成電路設(shè)計[M].北京：人民郵電出版社，1978.

[2] 沈偉慈，李霞，陳田明.通信電路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011.

作者簡介

閆非凡，助理工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)微波模塊修理研究。

陳莉華，工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)微波模塊修理研究。