20K温区高频脉冲管制冷机在深空探测、低温泵、低温超导等方面有着巨大的应用潜力。目前国内对该温区高频脉冲管制冷机的研究还处于起步阶段,由于该温区高频脉冲管制冷机可调参数众多,级间耦合较为复杂,理论模型建立难度较大。因此,对该温区高频脉冲管制冷机的理论分析与相关实验研究较少。同时,高频脉冲管制冷机整机数值模型大多建立在80K及以上温区,对20K温区的相关研究较少。基于此,本文开展了20K温区高频脉冲管制冷机整机建模及相关实验验证工作,主要研究工作包括:1.利用Sage对脉冲管制冷机各个关键部件进行模拟分析与选型,并成功建立了20K温区高频脉冲管制冷机基本数值模型。2.利用高频脉冲管制冷机基本数值模型建立了单级多路旁通型脉冲管制冷机整机Sage模型,详细地模拟分析了单级多路旁通型脉冲管制冷机回热器、多路旁通、双向进气、惯性管等结构对制冷机冷端温度以及整机性能的影响,并通过制冷机内部相关参数的变化对模拟结果和现象给出了合理解释。同时,搭建单级多路旁通型脉冲管制冷机实验测试台,对制冷机回热器、多路旁通、双向进气、惯性管等结构的模拟结果进行相关实验验证,通过对比分析模拟与实验的制冷机相关参数变化,验证了单级多路旁通型脉冲管制冷机Sage模型模拟结果的准确性。3.利用高频脉冲管制冷机基本数值模型建立同轴型两级气耦合脉冲管制冷机整机Sage模型,模拟分析了同轴型两级气耦合脉冲管制冷机气量分配、低温惯性管对制冷机冷端温度及整机性能的影响,并搭建了同轴型两级气耦合脉冲管制冷机实验测试台进行相关实验验证。通过模拟与实验对比分析,再次证明Sage模型的准确性,并利用该模型对一台U型两级气耦合脉冲管制冷机回热器、双向进气、惯性管进行了相关优化分析,得到了完整的整机参数数值,并完成整机设计。本文工作对20K温区高频脉冲管制冷机乃至更低温区高频脉冲管制冷机的设计和优化都具有重要意义。