【摘 要】
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为满足“鸿蒙计划”项目全天频谱测量接收机内置校准噪声源、低噪声放大器等微波器件对温度恒定和电磁兼容性等需求,本文开展了室温恒定且低噪声机箱的设计与测试研究。通过分析全天频谱接收机野外温度环境及接收机功能器件工作温度的需求,提出了双层嵌套式结构和模拟PID温控技术组成的机箱总体方案。方案中,将接收机有恒温需求的微波器件,置于内层箱体,并对内层箱体底部TEC制冷片基于模拟PID控制进行加热或制冷,从而
【基金项目】
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中国科学院战略先导项目,超长波天文观测阵列背景型号研究（项目编号:XDA15020000）；
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为满足“鸿蒙计划”项目全天频谱测量接收机内置校准噪声源、低噪声放大器等微波器件对温度恒定和电磁兼容性等需求,本文开展了室温恒定且低噪声机箱的设计与测试研究。通过分析全天频谱接收机野外温度环境及接收机功能器件工作温度的需求,提出了双层嵌套式结构和模拟PID温控技术组成的机箱总体方案。方案中,将接收机有恒温需求的微波器件,置于内层箱体,并对内层箱体底部TEC制冷片基于模拟PID控制进行加热或制冷,从而减小机箱恒温腔室体积,降低系统功耗,且避免自身产生电磁噪声。双层嵌套式机箱主体结构为ZL101A型铝合金材料,通过外层箱体内表面底部铺设双层聚氨酯板、其余内表面以及内层箱体外表面铺设或包裹橡塑保温棉,内层箱体底板上装设TEC制冷片等方法,设计了机箱混合隔热与屏蔽外界电磁噪声的热结构。开展了机箱结构热仿真建模,对接收机野外极端环境温度工况进行了热分析。结果表明:所设计的机箱在-35℃～60℃外部环境温度下,内箱体具有预设温度范围内维持温度恒定的能力。开展了机箱屏蔽效能仿真建模与分析,结果显示:在30MHz-200MHz波段范围内,屏蔽效能最小值为60.3dB,最大值为82.2dB,高于接收机要求的50dB。机箱模拟PID恒温控制系统主要由温度预置模块、温度测量模块、比较放大模块、PID控制模块、限幅模块、TEC驱动模块及TEC制冷片等组成。控制器通过调节内箱体底部流经半导体制冷片中电流的方向和大小,对内箱加热或制冷,从而使内箱体达到所需的恒定温度。采用阶跃响应测试法,获得了机箱恒温控制器的传递函数;用Cohen-Coon法整定了恒温控制器参数。基于Simulink开展了机箱温控系统的仿真分析。结果表明:恒温控制过程能快速趋于稳定,具有良好的动态调节性能。恒温机箱分析设计后,制作与调试了样机。在实验室内和野外工作环境下分别对机箱样机进行了恒温测试。室内温度环境连续24小时测试结果表明:内箱体测点温度保持在预设值+0.3℃范围内,满足设计需求。在野外工作环境下进行了4次各连续48小时、不同恒温预设值的温度测量实验。结果显示,内箱体测点温度保持在预设值的±0.5℃之内;实验中,当环境温度变化较大时,内箱体的温度能快速响应,维持温度的恒定,验证了恒温模拟PID控制器具有较好的稳态与动态控制性能。通过温度测量值与对应工况热仿真分析温度的对比,结果显示两者方差为0.41%,离散程度小,相符性较好,表明本文的热仿真模型准确可靠。开展了样机恒温模拟控制器的电磁噪声测试,测试结果显示,恒温模拟控制器通电工作时,在30MHz-200MHz范围内,平均电磁噪声功率为0.003dBm,最大电磁噪声功率为0.6dBm,低于设计要求1dBm,表明恒温模拟PID温控器工作时,不会干扰全天频谱测量接收机的正常工作,具有良好的电磁兼容性。本文设计的全天频谱接收机低噪声恒温机箱,具有热结构简巧、功耗低、温控精度较高、电磁兼容性良好等特点,总体满足了“鸿蒙计划”项目机箱的技术要求,将为项目接收机机箱的工程化设计与开发,奠定坚实的技术基础。
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