基于gm/Id查找表方法,设计了一种用于14位100 MS/s流水线逐次逼近寄存器模数转换器(Pipelined-SAR ADC)的余量放大器。该余量放大器采用高增益宽带宽的增益自举运算放大器(OTA)结构。该方法通过lookup函数查找器件直流工作点,克服了传统方法对短沟道器件参数无法准确设计的问题。通过迭代算法来选择核心器件的gm/Id,使电路在满足性能要求的同时实现功耗的优化设计,且具有很好的工艺移植性。基于SMIC 55 nm CMOS工艺,对设计的OTA性能进行了仿真验证,实现了在92 dB直流增益、180 MHz闭环-3 dB带宽、1.44 mVrms噪声等多维约束条件下电路功耗为1.9 mW的最优化设计。

随着现代化工业的高速发展, 痕量气体检测技术的重要性不言而喻, 目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、 化学工业、 生物生态以及医学检测等各个领域, 光声光谱技术由于它具有零背景检测、 探测器不受波长限制、 光学元件简单, 系统调节及维护方便等优点, 现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段, 近些年来, 随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展, 光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究, 所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考, 然而, 当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作, 尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。 光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池, 它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所, 其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况, 以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性, 因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。 为此, 基于传统圆柱形光声池的设计基础, 探索研究了纵向截面为圆形、 正三角形、 椭圆等8种典型形状的光声池结构模型, 并对其声场特性进行了仿真分析, 借助3D打印技术制作了各类光声池实物, 通过实验对比分析了8种光声池的性能指标, 在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下, 仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同, 实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同, 受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响, 其品质因素从大到小依次为: 圆形、 短轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 正三角形、 小圆轴线形、 长轴椭圆, 池常数从大到小依次为: 圆形、 长轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 小圆轴线形、 正三角形、 短轴椭圆, 整体结果显示, 对于光声光谱光声池的设计, 在没有特殊要求的情况下, 光声池应优先为圆形形状, 研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。

为了降低光学小卫星相机次镜上的随机响应, 提出了一种蜂窝夹层板结构的优化设计方法, 对小卫星光学载荷的蜂窝安装板进行结构参数的优化设计。首先, 以整星一阶频率不低于40 Hz为优化目标, 对蜂窝芯子密度进行优化, 根据三明治夹心理论, 推导计算了蜂窝芯子等效力学参数。然后, 以次镜的随机响应为优化目标, 对蜂窝夹层板的碳纤维面板进行铺层优化设计, 得到最优铺层顺序为[0/45/90/-45]S, 总厚度为0.8 mm。根据以上计算得出蜂窝芯子及碳纤面板等效参数, 对整星进行分析。最后, 开展了整星振动试验, 测量了整星模态和响应, 对试验数据进行采集。结果表明: 整星模态为42.2 Hz, 次镜最大随机响应为11.1g, 均在合理范围之内, 满足了组件力学要求。

针对中型反射镜提出了一种柔性半运动学支撑方式, 以便简化主镜的支撑结构, 降低安装应力对主镜的影响, 以及提高主镜支撑对温度变化的适应性。对比小口径主镜的刚性半运动学支撑, 详细阐述了柔性半运动学支撑的特点和优势。运用该原理对一口径为710 mm的主反射镜的支撑进行了设计、分析、和检测, 其中反射镜的轴向采用6点带有柔性细杆的Whiffletree支撑, 径向采用带有柔性环的中心轴支撑。然后, 利用有限元方法进行了详细的结构优化设计。最后, 利用4D干涉仪对主镜竖直和水平两个工况进行了检测。检测结果显示: 反射镜的支撑面形与加工面形误差分别为8.7 nm和8.4 nm, 与有限元分析结果基本吻合, 验证了文中有限元建模和分析方法的合理性。提出的柔性半运动学支撑很好地保证了主镜面形精度, 综合性能良好, 达到了设计预期, 为中型主镜的支撑设计提供了重要的参考。

基于力校正的主动支撑技术已广泛应用于光学镜面支撑，而基于力矩校正的方法目前还鲜有研究，为了深入探讨该课题，在传统力促动器主动支撑的基础上引入了基于力矩校正的反射镜主动支撑。首先，从镜面主动支撑原理出发，介绍了镜面面形主动校正的分类，着重对比分析了力校正和力矩校正的优缺点。进而，根据力矩主动校正的特点，利用在反射镜背部施加3组等效力矩的方法，对一块400 mm口径的轻量化反射镜进行了静力学分析与优化，拟合后镜面变形RMS值由原来的331 nm降为9.35 nm，优化率为97%。分析结果表明，基于力矩校正的主动支撑是有效的，同时为主动支撑的智能化及多样化提供了一种新的思路。

设计了MV级小型重复频率Marx发生器, 简化了发生器充放电回路, 减小了能量损失；分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响, 减小了隔离电感体积, 提高了隔离有效性；优化了开关腔体结构, 实现了间距连续可调, 且受外围结构的变化或振动影响, 13个开关间隙置于同一垂线上, 火花放电时产生的紫外线或射线相互照射, 加速了开关导通, 减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用, 提高了发生器的可靠性；通过Pspice模拟和三维静电场分析, 实现了发生器小型化, 整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内, 体积小于0.25 m3。优化设计和实验研究, 发生器在高阻负载上输出峰值1.02 MV、前沿约30 ns的高压脉冲, 发生器储能290 J, 电压幅度抖动约10%, 前沿抖动小于10 ns, 可实现重复频率20 Hz稳定运行。

设计了一种由3组Bipod组成的柔性支撑结构, 用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。首先, 利用伴随变换建立了Bipod及由其组成的支撑结构的柔度矩阵; 利用MATLAB优化Bipod的结构参数, 以满足径向刚度最小时轴向刚度最大的要求。然后, 对优化后的支撑结构施加力和热载荷进行了仿真验证。最后, 利用zygo干涉仪验证该支撑结构的热稳定性。结果表明, Bipod柔性支撑结构在保证反射镜良好热稳定性的同时, 可以有效降低外界动态载荷对反射镜的影响; 不仅具有良好的动态特性, 且能在力热耦合载荷下保持较好的面形。分析显示其1阶固有频率达到1 781.7 Hz, 与理论计算相比, 相对误差约为1%。

为了达到降低大功率LED筒灯制造成本同时又保证散热能力的目的, 采用正交试验法优化设计了散热器。分析了散热器基板直径、基板厚度、翅片厚度、翅片间距、翅片高度和翅片轮廓直径等6个因素对散热器重量与LED温度的影响。然后利用CFD热仿真软件对LED筒灯散热器进行建模与散热仿真, 最终得出了一个较为理想的优化结果。仿真与实验测试数据结果表明, 采用优化后散热器的LED温度较优化前略有下降, 但散热器重量降幅超过30%, 实现了较好的优化目标。

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化, 以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先, 从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路, 然后, 引入边缘切向剪切侧支撑原理, 阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060 mm的扇形轻量化主镜作为分析实例, 采用16个边缘离散支撑点, 优化设计等角间距侧向支撑, 并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点, 将等角间距改为不等角间距侧向支撑, 分析推导了相应的支撑力公式。结果显示, 改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度, 镜面变形由原来的1.723 nm降为1.633 nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形, 对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。

从硅光电倍增管(SiPM)单个微元的微等离子体电子行为模型出发，分析了SiPM的电子特性， 提出了SiPM前端电子学最优设计方案。阐述了SiPM的工作机理，给出了SiPM的电子行为模型，分析了SiPM应用于水下三维测深的优势。根据水下测深信号的回波特性，设计了高速、高带宽的前置放大器，并对前置放大器进行了交流分析和瞬态分析。 结果表明， 该前置放大电路在带宽内具有很高的增益平坦度，相位裕度大于60°， 基本保证了信号的完整性，同时保持了激光脉冲的波形。分析和测试结果表明，该探测器和电路设计方案完全能够满足水下三维测深的需要。