參量放大器

在實(shí)際的參量放大電路中，如圖1所示，只允許存在泵源頻率fP、信號頻率fs、和頻或差頻頻率fP±fs的功率。對其它各組合頻率一律加以抑制，使其功率皆為零。圖1中VD為變?nèi)荻O管;Us為信號源，Rs為其電阻，Bs為信號頻率fs的帶通濾波器;UP為泵浦電源，Rp為其內(nèi)阻，Bp為泵源頻率fP的帶通濾波器;Bi為和頻或差頻的帶通濾波器，Ri為負(fù)載。在這種情況下門雷一羅威公式可簡化為:

其中P0,1為信號功率Ps;P1，+1為和頻fP+fs的功率; P1,-1為差頻fp-fs的功率。若圖1中，Bi為和頻濾波器，則式(1)和式(2)中的"±"都取"+"。此時(shí)圖所示的為上變頻參量放大器，由于其信號頻譜沒有反轉(zhuǎn)，故又稱非反轉(zhuǎn)型參量放大器。其輸入頻率為fs，輸出頻率為fS+fp，輸出負(fù)載為和頻濾波支路的Ri。由式(1)可見，信號功率Ps為正值，放大倍數(shù)等于和頻fP+fs與信號頻率fs功率之比。此放大器，工作穩(wěn)定，增益較高，多用于上變頻器。若圖1中Bi為差頻濾波器，則式(1)和式(2)中的"±"都取"一"，此時(shí)亦為上變頻參量放大器，但其信號頻譜反轉(zhuǎn)了，故又稱反轉(zhuǎn)型上變頻參量放大器。由式(1)可見，信號功率Ps為負(fù)值。從阻抗相當(dāng)于在放大器的信號輸入端出現(xiàn)負(fù)阻。負(fù)阻的出現(xiàn)使電路工作存在著潛在的不穩(wěn)定性，故作為變頻器,多不被采用。

利用此負(fù)阻可以構(gòu)成反射型參量放大器，原理圖如圖2所示。信號功率Psi由環(huán)行器①端輸入，經(jīng)②端至放大器輸入端，由于存在負(fù)阻，此點(diǎn)的反射系數(shù)大于1，于是就有一個(gè)功率大于Psi的反射波Psr由環(huán)行器②端輸入，經(jīng)③端輸出。實(shí)現(xiàn)了同頻放大。Bi支路內(nèi)的差頻信號，在輸入端和輸出端都未出現(xiàn)，故稱空閑頻率。它是非線性電抗元件中能量轉(zhuǎn)換的必要條件之一。這種放大器雖然也存在著由負(fù)阻所引起的不穩(wěn)定性，但由于它的優(yōu)良低噪聲性，所以在低噪聲放大中仍占有重要位置。一般所說的參量放大器是指此類而言。

變?nèi)莨軈⒘糠糯笃鞯膬?nèi)部噪聲主要來自變?nèi)莨芗纳娮璧臒嵩肼?。使變?nèi)莨?或整個(gè)參放)在溫度很低(77K或更低)的環(huán)境下工作,可以大大降低噪聲，這種參量放大器也稱為致冷式參量放大器，簡稱冷參。由于變?nèi)莨苜|(zhì)量已大為提高，工作在常溫或用小型半導(dǎo)體致冷器使之冷卻到-40℃的參放,也可以獲得良好的噪聲性能。這種參量放大器簡稱為"常參"，與冷參相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、造價(jià)低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

利用時(shí)變電抗參量實(shí)現(xiàn)低噪聲放大的放大電路。例如，在變?nèi)荻O管的兩端外加一個(gè)周期交變電壓時(shí)，其電容參量將隨時(shí)間作周期變化。若把這一時(shí)變電容接入信號回路中，且當(dāng)電容量變化和 信號電壓變化滿足適當(dāng)關(guān)系時(shí)，就能使信號得到放大。外加的交變電壓源稱為泵浦源。利用鐵芯非線性電感線圈和電子束的非線性等也能構(gòu)成參量放大器。

參量放大的原理在30年代就已出現(xiàn)，但直到50年代后期，可在微波頻段工作的半導(dǎo)體變?nèi)荻O管問世以后才得到發(fā)展。這是因?yàn)樽內(nèi)荻O管具有很高的Q值,適于制作噪聲電平極低的微波放大器。變?nèi)莨軈⒘糠糯笃髦饕脕矸糯箢l率約為 1~50吉赫之間的微弱信號。在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，它的噪聲特性略差于量子放大器，但結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)也很方便。實(shí)用參放的噪聲很低,例如,在4吉赫頻段，它的等效輸入噪聲溫度在室溫下可低至50K以下。工作溫度降至20K時(shí)，其噪聲溫度可低至10K。

參量放大器是一種變電抗放大器，電抗元件在電路中不產(chǎn)生噪聲。它本質(zhì)上是一種低噪聲裝置，其噪聲溫度可以低于環(huán)境溫度。液氦冷卻的參量放大器在4000MHz頻段噪聲溫度已達(dá)15K,簡單的電致冷參放也可達(dá)40K。它在雷達(dá),導(dǎo)航深空探測、電子偵察、衛(wèi)星通信等方面都有應(yīng)用。

P. Penfield, Jr. and R. Rafuse, Varactor Applications,MIT Press, Boston,1962

LNA經(jīng)歷了早期液氦致冷的參量放大器、常溫參量放大器的發(fā)展過程，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，近幾年已被微波場效應(yīng)晶體管放大器所取代，此種放大器具有尺寸小、重量輕和成本低的優(yōu)異特性。特別是在射頻特性方面具有低噪聲、寬頻帶和高增益的特點(diǎn)。在C、Ku、Kv 等頻段中已被廣泛的使用，目前常用的低噪聲放大器的噪聲溫度可低于45K。