空间红外探测用30 K单级脉管制冷机高能效研究

建立了阻抗匹配模型,同时从冷指及压缩机两方面对制冷机性能进行优化.基于热声理论,构建了30 K温区脉管冷指的一维Delta EC理论模型,优化了惯性管型单级脉管制冷机冷指和压缩机耦合的工作参数.从机理上分析了回热器填料、双段惯性管长度及气库体积对冷指声学阻抗及压缩机声功转化效率的耦合关系.搭建实验测试平台,测试结果表明此单级脉管制冷机可以获得24.24 K的最低温度,输入功227 W时可以在30 K获得1 W冷量,可较好的满足空间红外探测器应用.     

30 K脉管预冷CFD仿真研究

针对一台U型一级斯特林二级脉管混合制冷机,分析了一级冷量对二级脉管预冷对制冷机整机性能的影响。制冷机一级制冷温度为80 K,二级制冷温度为30 K,通过将一级冷指和脉管热桥连接,利用一级提供的冷量对脉管进行了预冷。通过计算流体力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)仿真研究了脉管预冷对脉管内部温度场和速度场的影响。研究发现,对脉管进行预冷会改变脉管工作时的内部温度分布,对二级制冷能力有巨大影响。在不采用一级冷量对脉管中段进行预冷时,制冷机以二级0.7W@30 K和一级7W@80 K同时进行冷量输出,压缩机输入PV功为133 W;通过热桥将一级冷端换热器与二级脉管中段连接后,保持输入PV功为133 W,输出冷量变为二级1.2W@30K和一级6W@80K同时进行冷量输出。研究发现,U型一级斯特林二级脉管混合制冷机采用中段脉管预冷可大大提高二级的制冷能力。     

热耦合同轴型双级高频脉管制冷机实验研究

空间探测技术对小型低温制冷机提 出了在不同温区同时供冷的要求,而双级高频脉管制冷机则 是一种极具潜力的解决方案。介绍了一种热耦合双级高频 脉管制冷机,其两级冷指均采用同轴型结构以提升制冷机 结构的紧凑性。在室温惯性管调相的方式下,获得了22.03 K的 最低无负载温度;当总的输入电功为413 W时,两级可同时获 得8 W@80 K和1 W@30 K的制冷量。针对不同预冷温度下的性能特 性开展了实验研究,得到了低温级冷指效率的变化规律。     

延伸波长InGaAs探测器封装用二级热电制冷器性能研究

真空封装技术是延伸波长InGaAs探测器的主要封装方法之一,热电制冷器可为延伸波长InGaAs探测器焦平面提供低温环境。测试了基于真空封装技术无热负载条件下二级热电制冷器的性能,研究了二级热电制冷器在不同输入电流(功率)时冷、热端温差与热负载的关系,测试了二级热电制冷器在低温工况下的制冷性能以及二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率。结果表明,热沉温度为274 K时,冷端可以达到221.4 K并实现77.5 K的冷、热端温差;当输入电流一定时,随着热负载的增加,冷、热端温差呈线性趋势减小,且斜率随着输入电流增大而增大;二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,即制冷性能更好;当温度分别为233.1 K 和249.8 K时,表观热导率分别为11.30 W/(m·K)和8.29 W/(m·K)。     

基于GaN的图腾柱PFC电流过零点问题的研究

在连续导通模式下,图腾柱无桥拓扑结构功率因数校正器(PFC)的损耗非常大,导致拓扑结构的效率降低,在输入电压过零点处电流容易发生畸变。针对此问题,提出了一种改进的过零点控制方法。将输入电压过零时段划分为两个控制阶段,即高频桥臂主开关管完成软启动,采用双极控制方法有效校正输入电流,使其跟随输入电压。搭建一台1 kW实验样机,并利用DSP开发板进行实验验证。测试结果表明,当开关频率为100 kHz时,功率因数为0.99,PFC模块效率最大可达98.5%,总谐波失真在输出功率大于200 W时小于3%。     

毫米波10W空间功率合成放大器研制

提出了一种结构新颖的2×2空间功率合成结构.该结构在30~36GHz范围内,回波损耗优于10dB,插入损耗小于1dB.以此结构为基础再利用4块GaAs MMIC单片制作出了一个新型的功率合成器.该功率合成器在31~34GHz的频率范围内,在±0.64dB的增益波动下能得到大于10W的输出功率,并且在31GHz时具有最大的饱和输出功率13.8W,在带内的平均合成效率大于80%.     

红外系统应用的高频同轴脉冲管制冷机惯性管调相实验分析

直线压缩机SL400用于高频同轴脉冲管制冷机PT08的研制,优化的工作频率为40Hz,在气库与脉冲管间连接不同长度不同管径的惯性管作为调节脉冲管冷端处压力波与流速波合适相位的调节机构。不同排气量及额定输入功率的直线压缩机SL150驱动该制冷机,不同内径及长度的惯性管用于PT08脉冲管制冷机SL150压缩机的匹配调试,给出了不同的工作频率下制冷机的最低制冷温度及压缩机的效率数值,调节压缩机的工作频率,无双向进气,制冷机的最低制冷温度在59．1～65．1K的范围。随着惯性管的管径变粗,长度变短,压缩机驱动制冷机的最佳制冷性能(最低制冷温度)的工况条件往高的驱动频率方向变化。在实用化简易化商业化应用考虑的条件下,为SL150压缩机驱动PT08制冷机优化了较小直径较短长度的惯性管,该惯性管利于直接封装于气库的内部,使得气库可与同轴式脉冲管制冷机的冷指集成为一整体。     

S波段GaN内匹配功放管

实现了一款应用于S波段雷达系统的GaN HEMT内匹配功放。以小信号S参数和Load-pull结果为基础进行内匹配电路设计和仿真,采用单个24 mm GaN HEMT管芯实现大功率输出。使用微波仿真软件ADS进行输出匹配和小信号仿真和优化,得到良好的仿真结果并给出最终的测试数据。在34 V漏电压、1 ms周期、10%占空比的测试条件下,40 d Bm输入功率时,2.7~3.1 GHz频率范围内,输出功率超过170 W,功率附加效率超过55%。     

一种脉冲功率微波限幅器的设计

在限幅器最大输入功率理论分析基础上,根据PIN限幅二极管产品手册上最大连续波输入功率和给定脉宽下最大脉冲输入功率等条件,求解得到温度时间常数及任意脉宽下最大脉冲输入功率,给出了分析模型及计算公式。研制了实验验证电路,在频率1GHz、脉宽25μs、占空比1%条件下,最大脉冲输入功率43W,与理论分析相符。     

高效率连续1 000 W半导体激光器叠层阵列

采用低压MOCVD外延技术生长的GaInAs/AlGaAs应变量子阱大光腔结构材料结构设计,利用低压MOCVD外延技术生长了3英寸(75 mm)激光器外延片,进而设计制作了976 nm大功率低热阻连续激光器芯片。采用以及高热导率的无氧铜材料设计制作了大功率微通道热沉,采用In焊料芯片倒装烧结工艺,制作了976 nm连续激光器阵列单条。在20℃水冷条件下,输入电流120 A,工作电压1.51 V,输出功率达到118 W,电光功率转换效率约65%。将10只微通道阵列单条堆叠组装,制作了连续1 000 W微通道叠层阵列。在20℃水冷条件下,输入电流120 A,输出功率达到1 130 W,工作电压1.45 V,电光功率转换效率约65%。     

电容式微波功率检测系统的灵敏度特性研究

为了提高电容式微波功率检测系统的综合性能,首先建立了MEMS悬臂梁的力学解析模型,研究了MEMS悬臂梁在静电力与弹性力综合作用下的运动规律,并建立了灵敏度的解析模型。研究结果表明,灵敏度主要受悬臂梁至下拉极板的初始间距、梁板长度影响。其中,灵敏度与间距成反相关关系,与梁板长度成正相关关系。在34~36 GHz的Ka波段内,根据力学解析模型和灵敏度模型,灵敏度的仿真结果分别为4.4 fF/W @34 GHz、4.1 fF/W @35 GHz、3.7 fF/W @36 GHz,实验测试结果分别为5.0 fF/W @34 GHz、4.5 fF/W @35 GHz、4.0 fF/W @36 GHz。灵敏度的仿真结果与测试结果比较吻合,这对改善电容式微波功率检测系统的综合性能具有一定的指导意义。     

制冷机姿态变化对组件输出均匀性的影响

分置式斯特林制冷机是红外探测器组件常用的制冷方式,具有冷量大,寿命长等特点。本文以耦合分置式斯特林制冷机的长波576×6碲镉汞红外探测器组件为例,进行了姿态翻转时的探测器组件均匀性变化试验,表征斯特林制冷机在不同翻转姿态情况下对探测器组件输出非均匀性的影响,并提出了优化耦合尺寸以及驱动控制器的方法。     

空压机能量回收技术应用研究

空压机是工业领域必不可少的主要辅助生产设备之一,是电能消耗"大户",但真正由电能转换成压缩空气的能量不足30%,期间大量的电能转换成"无价值"的热能被浪费,对环境造成严重的"温室效应"污染。然而节能减排、低碳循环经济已经逐渐成为人们关注的焦点。分析空压机原理,发现大量电能转化成热能由冷却油及压缩空气带走,目前传统方式用的是自然风加抽风机进行冷却,冷却后的风排入大气,造成能量的大量浪费,同时对设备的冷却效果并不佳,利用新型工艺技术改进,由风冷冷改用水冷,实现75%以上的热能回收利用。     

红外探测器用微型制冷机工程化研究

对快起动节流制冷器和集成式斯特林制冷机的最低制冷温度、制冷功率、起动时间、热负荷、控温转速和控温功率等进行了工程化研究,有效地解决了关键技术问题,减少热力损失、振动噪声和污染,提高密封性和装配技术水平等。还解决了制冷机的可靠性,寿命和存贮期等实用化问题。     

焦平面探测器用集成式斯特林制冷机数值模拟计算

对焦平面探测器用集成式斯特林制冷机进行了数值模拟计算，在计算模型中加入了流动阻力，同时对如此小尺寸的制冷机进行了测试。数学模型的建立完全按照真实的斯特林制冷机结构。整个制冷机分为13个控制容积，每个控制容积都建立了质量、动量和能量守恒方程。计算程序用Visual C＋＋和MATLAB编写，这些基本方程通过反复迭代求解。通过本计算模型与其它经典计算模型的比较，本模型更接近真实的斯特林制冷机工作情况，数值模拟计算的压力、和制冷功率等工作性能参数，与制冷机的实验测试的数据进行了对比。计算程序已用于新型号集成整体式制冷机的设计计算。