《Sensors》：Research on Cryogenic Technology for Phased Array Feed Receivers with Multiple Refrigerators
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与射电望远镜中配备的低温接收机类似，相控阵馈源（Phased Array Feed, PAF）接收机也可通过对关键部件进行制冷来改善噪声温度。本文针对一款具有较大制冷量需求的低温PAF接收机，采用全阵列制冷的技术路线，并构建由多台制冷机组成的低温系统开展实验研
与射电望远镜中配备的低温接收机类似，相控阵馈源（Phased Array Feed, PAF）接收机也可通过对关键部件进行制冷来改善噪声温度。本文针对一款具有较大制冷量需求的低温PAF接收机，采用全阵列制冷的技术路线，并构建由多台制冷机组成的低温系统开展实验研究。初始设计采用两台M350制冷机联合制冷的方案，测得低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）安装结构处的温度仅为22.3 K。随后，研究人员对每台制冷机的单独制冷性能及各级冷头的实际制冷功率进行了测试与分析，并提出了一种改进的分区设计方案。在该方案中，原有的低噪声放大器及其安装结构被分为两个相等的部分，分别由一台制冷机独立制冷。改进后的分区设计消除了原联合制冷方案中公共结构上的热耦合与热回流现象，同时将原有热负载减半并独立分配给每台制冷机，从而提升了整个低温系统的制冷效率。采用这一改进设计后，两个分离后的低噪声放大器安装结构的实测温度分别达到15.2 K和18.2 K，均实现了低于20 K的目标。上述研究系统性地验证了在多制冷机PAF低温设计中结构差异对制冷性能的影响，为改善接收机噪声性能提供了一种可行途径，同时为在大制冷量需求下由多台制冷机组成的低温系统设计提供了有益指导。
**多制冷机低温系统结构设计与实验验证——面向相控阵馈源接收机的制冷性能优化研究解读**
## 1. 研究背景与科学问题
射电望远镜是射电天文领域的关键观测设备，其接收机系统安装于望远镜焦平面位置，负责捕获天体辐射信号。随着射电天文观测对灵敏度要求的日益提升，中国多个天文台正在建设大口径射电望远镜，如奇台110 m射电望远镜（Qi Tai Telescope, QTT）。相控阵馈源（Phased Array Feed, PAF）接收机作为一种新型接收机，通过波束形成算法和单元复用技术，可在远场生成多个重叠波束，从而扩大射电望远镜的视场并提高观测效率。接收机噪声温度是直接影响望远镜观测灵敏度的核心参数，噪声温度越低，系统可探测的射电信号越微弱。与高性能低温接收机类似，对PAF接收机中的低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）和天线阵列等关键部件进行制冷，可有效降低其噪声温度。
目前国际上典型的低温PAF设计主要有两种方案：一种是部分制冷方案，以美国国家射电天文台（NRAO）和杨百翰大学联合开发的FLAG（Focal L-band Array for GBT）为代表，仅对LNA进行制冷，未冷却天线阵列，虽取得了显著噪声改善，但仍有提升空间；另一种是全阵列制冷方案，以杨百翰大学与康奈尔大学为阿雷西博望远镜研制的AO19 Cryo-PAF为代表，将LNA和天线阵列均置于杜瓦内进行整体制冷，进一步改善了噪声温度，成为目前追求高噪声性能PAF接收机的常用方案。对于QTT规划的20 cm波段PAF接收机，其工作频率为0.7–1.8 GHz，采用双线极化且每极化不少于96个单元，接收机噪声温度目标为≤25 K。在如此严苛的指标下，仅对LNA制冷远远不够，必须采用全阵列制冷方案。然而，当天线阵列处于常温（295 K）而LNA被制冷至20 K时，接收机估计噪声温度为51.6 K；当天线阵列也被制冷至77 K时，噪声温度可降至22 K。这一评估结果充分说明，为实现25 K以下的噪声温度目标，全阵列制冷是不可或缺的方案。
研究人员基于新疆天文台（XAO）微波技术实验室自主研制的PCB基Vivaldi天线阵列（工作频率0.7–1.8 GHz，双线极化，10×11矩形布局，单元间距30 mm），开展了全阵列制冷的低温结构设计与实验研究。
## 2. 研究内容与主要结论
研究人员的研究工作经历了初始设计验证、方案改进和分区优化三个阶段，系统性地解决了多制冷机联合制冷中的效率问题。初始低温结构采用两台M350制冷机联合制冷方案，将两台制冷机的20 K冷头通过柔性导热带共同连接到阵列安装背板上，目标是将天线阵列制冷至20 K以下。然而实测阵列天线温度仅为58 K，未能达标。通过热分析发现，大孔径微波窗口与阵列顶部局部接触产生了显著的热传导泄漏，20 K冷头的总制冷需求远超其4 W的制冷能力。鉴于20 K冷头制冷量的局限性，研究人员调整了设计思路：低温PAF设计的核心优先目标应确保多台LNA被冷却至20 K，而非强制要求天线阵列也达到该温度。更新后的低温结构中，20 K冷头仅用于冷却LNA，77 K冷头则负责冷却天线阵列和冷屏。在同时安装6个低温LNA后，联合制冷实验测得LNA安装结构温度为22.3 K，仍未达到20 K目标，尽管理论计算表明两台M350（20 W @ 77 K × 2，4 W @ 20 K × 2）应能满足两级冷头的制冷需求。
针对22.3 K与理论预期不符的问题，研究人员设计了系统的诊断实验。首先，在保持杜瓦内其他部件不变的情况下，分别用单台制冷机对LNA安装结构进行制冷实验，测得制冷机1（左）的单独制冷温度为22.1 K，制冷机2（右）为22.7 K，与联合制冷的22.3 K差异极小，这一反直觉结果表明联合制冷并未产生性能增益。其次，通过在各级冷头安装电阻加热器并逐步增加加热功率的方法，测量了两台制冷机各级冷头的实际制冷功率。结果表明，制冷机1的20 K冷头实际制冷量为3.02 W，77 K冷头为18.4 W；制冷机2分别为2.21 W和14.4 W，均未达到标称值（4 W @ 20 K，20 W @ 77 K）。通过记录冷头温度随加热功率变化的数据并拟合，结合制冷机2单独制冷时的实测温度22.7 K，推算出LNA及其安装结构所需制冷功率约为3.43 W。作为对照，研究人员利用实验室另一套配备单台M350制冷机的低温测试平台（经电阻加热器法验证20 K冷头可提供4 W功率）进行同等结构的制冷实验，测得LNA安装结构温度为14.5 K，验证了该结构实际功率需求不超过4 W，与计算得出的3.43 W相符。
基于以上诊断，研究人员提出了分区改进设计。核心思路是将原有的LNA安装结构（铜质导热背板）平均分成两个独立部分，每台制冷机分别冷却其中一部分，从而将每台制冷机20 K冷头的热负载减半。分区后的实测结果为：连接制冷机1的LNA安装结构温度为15.2 K，连接制冷机2的为18.2 K，均实现了低于20 K的目标，验证了该方案的有效性。在分区后的实验条件下，天线阵列实测温度为165 K，取两处LNA安装结构测温的平均值16.5 K进行等效噪声温度估算，当前低温PAF接收机的整体噪声温度为33.7 K。
## 3. 关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：全阵列制冷杜瓦结构设计（包含大孔径微波真空窗口、圆柱形杜瓦、内冷屏和带制冷机安装座的杜瓦底座）；两级制冷方案，利用M350制冷机的77 K冷头（大制冷量）冷却天线阵列和冷屏、20 K冷头冷却LNA安装结构；基于电阻加热器的冷头实际制冷功率标定方法（通过逐步调节加热电压并记录冷头升温至额定温度时的加热功率来确定实际制冷量，并对多个温度点进行拟合获得温度-功率关系曲线）；单台制冷机独立制冷对照实验；以及分区制冷结构优化设计。
## 4. 研究结果详述
**4.1 初始联合制冷结构验证。** 采用两台M350联合制冷的初始结构，将77 K冷头通过铜环连接至冷屏底座，20 K冷头通过柔性导热带连接至阵列安装背板。为满足全阵列制冷需求，设计了由聚酯薄膜（Mylar）密封膜和聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）刚性泡沫支撑透波层组成的大孔径微波窗口。实测阵列温度为58 K，未达到20 K目标，热分析表明大孔径微波窗口与阵列顶部的接触引入了显著传导漏热。
**4.2 更新后的LNA冷却结构验证。** 考虑到20 K冷头制冷量有限，将其专门用于冷却6个低温LNA（安装在铜质导热背板上并固定于阵列中央单元后方），77 K冷头负责阵列和冷屏。实验测得杜瓦真空度为1.8×10?? Pa，LNA安装结构温度为22.3 K，仍高于目标值20 K。
**4.3 单台制冷机独立制冷实验。** 分别使用左、右两台制冷机的20 K冷头单独冷却LNA安装结构，实测温度分别为22.1 K和22.7 K，与联合制冷的22.3 K无显著差异，表明联合制冷未体现出性能叠加优势。
**4.4 制冷机实际功率标定。** 利用电阻加热器法测得制冷机1实际制冷量为3.02 W @ 20 K和18.4 W @ 77 K，制冷机2为2.21 W @ 20 K和14.4 W @ 77 K，均低于标称值。通过温度-功率拟合曲线结合制冷机2单独制冷温度22.7 K，推算LNA安装结构功率需求约为3.43 W。
**4.5 实验室平台对照实验。** 在配备单台M350（已验证可提供4 W @ 20 K）的低温测试平台上进行相同LNA安装结构的制冷实验，实测温度14.5 K，确认结构实际功率需求低于4 W。
**4.6 分区设计优化实验。** 将LNA安装结构均分为两部分，分别由两台制冷机独立冷却，实测温度达到15.2 K和18.2 K，均低于20 K目标，验证了分区设计在消除热耦合和热回流方面的有效性。
## 5. 讨论与结论部分总结
**讨论部分：** 研究人员指出分区设计提升制冷效率的核心物理机制在于切断了原联合制冷结构中存在的热耦合和热回流。在原联合结构中，由于两台制冷机存在固有性能差异，较强制冷机（制冷机1）的冷头与较弱制冷机（制冷机2）之间通过连续的铜质LNA基板形成热短路，导致热量从温度较高一侧流向制冷机1的冷头，产生热回流现象。同时，LNA及其安装结构本身构成较大的热负载（约3.43 W），制冷机1（3.02 W）单独无法满足需求，又被较弱的制冷机2（2.21 W）通过热耦合进一步拖累，最终联合结构温度锁定在两台制冷机之间的平衡点22.3 K。分区设计不仅切断了热耦合和热回流，还将每台制冷机的热负载减半，从而提升了整体制冷效率。从制冷机选型角度看，当单台制冷机无法满足制冷需求时，可采用多台制冷机实现系统总制冷功率的累积，但前提是各制冷机所冷却的部件在热学上相互独立。研究人员还指出，本研究中LNA在低温实验期间未通电，依据单只LNA功耗30 mW计算，6只LNA总功耗为0.18 W，对现有3.43 W热负载影响不大；但实际PAF接收机若所有阵列输出均配备LNA（至少200只），总功耗将达6 W，是不可忽略的热负载贡献，因此低温设计中需根据热分析选择合适数量且制冷量更大的制冷机型号（如M1020）。
**结论部分：** 为进一步研究PAF接收机的低温技术并分析和验证不同杜瓦结构的制冷性能，本研究基于XAO研制的PCB基Vivaldi天线阵列，结合6个低温LNA开展全阵列制冷设计。杜瓦结构包括大孔径微波窗口、LNA组件、两级导冷及支撑绝热结构。基于热分析结果选用两台M350制冷机。两机制冷机联合制冷实验测得LNA安装结构温度为22.3 K，未达20 K目标。为分析联合制冷方案，先进行单台制冷机独立制冷实验，实测温度分别为22.1 K和22.7 K；随后通过各级冷头安装电阻加热器记录供电功率，测得两台制冷机实际制冷量分别为3.02 W @ 20 K和18.4 W @ 77 K（制冷机1）、2.21 W @ 20 K和14.4 W @ 77 K（制冷机2）。通过多点拟合估算LNA安装结构制冷功率需求约为3.43 W。同时利用实验室另一套具备4 W @ 20 K能力的低温测试平台进行同等结构实验，实测温度14.5 K，确认结构实际制冷需求在4 W以内。核心结论是：当两台制冷机通过连接结构联合冷却同一LNA安装基板时，制冷机之间会产生热耦合和热回流，使制冷性能处于两台制冷机独立制冷结果之间的中间状态。为充分利用每台制冷机的效率，须将两台制冷机物理分区，切断二者之间的串扰，从而提高整个低温系统的制冷效率。据此开展优化实验，将LNA安装结构均分为两部分分别连接两台制冷机，复测两部分的温度分别达到15.2 K和18.2 K，均实现低于20 K的目标。同时，本文所述的多制冷机20 K冷头分区优化方案也可推广至阵列的77 K冷头，但为保持实验中PCB Vivaldi天线阵列的完整性，研究人员未贸然采用切割方案对77 K冷头开展专项实验。考虑到两台制冷机77 K冷头的实测总制冷量足以满足热分析后的制冷功率，阵列实测温度仅为165 K明确表明其同样受到联合结构的影响。对于未来计划采用的金属阵列，在不影响微波性能的前提下留出一定分区间隙是可行的，从而可利用多台制冷机将整个阵列制冷至77 K的目标温度，这将是下一步研究的重点方向。
