參量放大器簡介

利用時變電抗參量實現(xiàn)低噪聲放大的放大電路。例如，在變容二極管的兩端外加一個周期交變電壓時，其電容參量將隨時間作周期變化。若把這一時變電容接入信號回路中，且當電容量變化和 信號電壓變化滿足適當關系時，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體變容二極管問世以后才得到發(fā)展。這是因為變容二極管具有很高的Q值,適于制作噪聲電平極低的微波放大器。變容管參量放大器主要用來放大頻率約為 1~50吉赫之間的微弱信號。在這個頻率范圍內，它的噪聲特性略差于量子放大器，但結構簡單，維護也很方便。實用參放的噪聲很低,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，其噪聲溫度可低至10K。

在實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為變容二極管;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"+"。此時圖所示的為上變頻參量放大器，由于其信號頻譜沒有反轉，故又稱非反轉型參量放大器。其輸入頻率為fs，輸出頻率為fS+fp，輸出負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"，此時亦為上變頻參量放大器，但其信號頻譜反轉了，故又稱反轉型上變頻參量放大器。由式(1)可見，信號功率Ps為負值。從阻抗相當于在放大器的信號輸入端出現(xiàn)負阻。負阻的出現(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。

利用此負阻可以構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，由于存在負阻，此點的反射系數(shù)大于1，于是就有一個功率大于Psi的反射波Psr由環(huán)行器②端輸入，經(jīng)③端輸出。實現(xiàn)了同頻放大。Bi支路內的差頻信號，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換的必要條件之一。這種放大器雖然也存在著由負阻所引起的不穩(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。

變容管參量放大器的內部噪聲主要來自變容管寄生電阻的熱噪聲。使變容管(或整個參放)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。由于變容管質量已大為提高，工作在常溫或用小型半導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，它具有結構簡單、可靠性高、造價低、維修方便等優(yōu)點。

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15K,簡單的電致冷參放也可達40K。它在雷達,導航深空探測、電子偵察、衛(wèi)星通信等方面都有應用。

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)代科學技術的高速發(fā)展，近幾年已被微波場效應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。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。

這種器件在微波電路中對微波信號或能量起隔離、環(huán)行、方向變換、相位控制、幅度調制或頻率調諧等作用，廣泛用于雷達、通信、無線電導航、電子對抗、遙控、遙測等微波系統(tǒng)以及微波測量儀器中。隔離器和環(huán)行器是1951年由C.L.霍根發(fā)明的。隨后許多新型線性器件，如相移器、開關、調制器等相繼出現(xiàn)。1957年H.蘇耳發(fā)明了微波鐵氧體參量放大器，發(fā)展了非線性器件,雖然未能達到實用,但對其他參量器件的發(fā)展起了促進作用。60年代初，磁調濾波器、磁調振蕩器等研制成功，在電子對抗技術和微波測量儀器中得到應用。以后各種微波鐵氧體器件繼續(xù)發(fā)展，成為一類重要的微波器件。

基本原理 微波鐵氧體器件是利用鐵氧體的旋磁效應制成的。鐵氧體的旋磁效應來自電子自旋運動。一個帶有負電荷的電子作自旋運動必然同時具有角動量及磁矩。如這個電子的角動量為P，磁矩為M,則磁矩與角動量的比值稱為旋磁比，用γ代表

M/P=-γ (1)

在圖1中,電子自旋磁矩M受到直流恒定磁場H0的作用時，磁矩的進動方程式為

dM/dt=-γM×H0 (2)

M圍繞H0按右旋方向進動, 這種進動也稱拉莫爾進動。進動角頻率為

ω0=γH0 (3)

由于進動有能量損耗，M與H0的夾角θ會逐漸變小，最后M完全重合在H0的方向上。如果在垂直于H0的方向上加一高頻交變磁場h，則能彌補進動的能量損耗,使M的進動可以維持下去。當交變磁場的頻率ω與M進動頻率ω0相等時，進動的幅度達到最大。這就是鐵磁共振現(xiàn)象。這時高頻交變磁場的頻率稱為鐵磁共振頻率。 旋磁介質材料在產(chǎn)生鐵磁共振時，它的磁導率是一個張量，可寫為

(4)

式中μ、k是M、γ、H0以及ω的函數(shù)。而交變磁感應強度b和交變磁場強度h的關系為

b=0μh

式中稱為旋磁張量磁導率，也稱坡耳德爾張量。它的物理意義是在沒有磁化的情況下，旋磁介質可以近似地認為是均勻的各向同性的,在外加直流恒定磁場H0的作用下,它就變?yōu)楦飨虍愋缘?。這時沿著x軸方向的磁場強度h所產(chǎn)生的磁感應強度b的方向并不單純沿著x軸方向，它除具有x方向的分量μnx外，同時還具有y方向的分量jkhx。μ項可以認為是h直接對b的貢獻，而k項可以認為是一個耦合項，它把高頻能量由一種極化轉換為另一種極化。

由于旋磁介質具有各向異性的特性，電磁波在這種介質中傳播就會產(chǎn)生一系列新的效應，如極化面旋轉效應(法拉第旋轉效應)、非互易場移效應、共振吸收以及張量磁導率的改變等，利用這些效應可制成多種類型的微波鐵氧體器件。

材料 各種微波鐵氧體器件的功能不同、工作頻率不同，因而對微波鐵氧體材料的性能要求也不同。一般要求材料有好的旋磁性和低的損耗。表征材料性能的主要參數(shù)有:飽和磁化強度及其溫度系數(shù)、居里點、鐵磁共振線寬、有效共振線寬、自旋波線寬、介電常數(shù)、介電損耗角正切等。微波鐵氧體材料有許多品種，根據(jù)材料的成分和晶體結構分類，有石榴石型、尖晶石型和磁鋁石型(六角晶系)等。根據(jù)材料的制造工藝和形態(tài)又分多晶材料、單晶材料和薄管膜材料。多晶鐵氧體材料一般采用陶瓷工藝制造;微波鐵氧體單晶用助熔劑法或提拉法生長;單晶薄膜材料用液相外延或氣相外延工藝生長。

分類 微波鐵氧體器件種類很多:按功能分，有隔離器、環(huán)行器、開關、相移器、調制器、磁調濾波器、磁調振蕩器、磁表面波延遲線等;按結構形式分，有波導式、同軸式、帶線式及微帶式;按工作方式分，有法拉第旋轉式、共振式、場移式、結式等;按所用材料分，有多晶鐵氧體器件，單晶鐵氧體器件，薄膜鐵氧體器件。

隔離器 一種非互易的兩端口微波鐵氧體器件。它只容許電磁波單向通過，反方向傳輸?shù)碾姶挪〞a(chǎn)生很大的衰減,常用于振蕩器與負載的隔離,消除電磁波反射造成的頻率漂移等影響。對器件性能的主要要求是:正向衰減小(一般不超過0.5~1分貝)，反向隔離大(一般大于20~30分貝),電壓駐波比小(一般不大于1.10~1.25),有一定的頻帶寬度，此外還應規(guī)定承受功率和工作溫度等。

①法拉第旋轉式隔離器:利用電磁波在縱向磁化的鐵氧體棒中傳播時極化面產(chǎn)生旋轉(即法拉第旋轉效應)制成的隔離器。這種隔離器結構比較復雜，承受功率低，工作頻帶窄，多用于毫米波段。

②共振式隔離器:利用鐵氧體的鐵磁共振特性(即對右圓極化波的高頻磁場有共振吸收現(xiàn)象，而對左圓極化波不存在共振吸收)制成的隔離器。它又分為波導式、同軸式或帶線式。這種隔離器體積小，可承受較大的功率，但頻率很高時制作困難。

③場移式隔離器:當矩形波導中部分充填橫向磁化的鐵氧體時，則波導中電磁場的分布即與磁化方向和傳播方向有關。這就是場移效應。利用這種效應可以制成場移隔離器，主要用在厘米波段。但所能承受的功率低，多用于低駐波、高隔離的精密微波測試系統(tǒng)中。

④邊導模隔離器:當以橫向磁化的鐵氧體為介質的帶線或微帶中心導體寬度遠大于鐵氧體的厚度時，電磁波傳播的主模式是邊導模。這種模式的主要特點是當電磁波沿某一方向傳播時，能量集中于帶線的一邊，當沿相反方向傳播時，則能量集中于另一邊。而且這種能量的集中與頻率無關。利用這種模式可以制成邊導模隔離器。這種隔離器結構簡單，頻帶極寬，可以達到多倍頻程。

⑤集總元件隔離器:一種各端口內部都與集總元件網(wǎng)絡相連的隔離器。主要用于微波低頻段和甚高頻段，可以顯著縮小隔離器的尺寸。

環(huán)行器 一種非互易的多端口微波鐵氧體器件。在這種器件中輸入任一端口的功率，都會按照一定順序傳輸?shù)较乱粋€端口。圖2為四端環(huán)行器，以1→2,2→3,3→4，4→1順序傳輸;如果外加磁場反向,環(huán)行順序也相反。環(huán)行器在微波電路中可用作雙工器(在一個天線上同時進行接收和發(fā)射的雙重操作)和單端放大器(如二極管參量放大器)的輸入和輸出間的隔離。環(huán)行器的主要性能要求與隔離器相似。 ①法拉第旋轉式環(huán)行器:利用極化面旋轉效應(法拉第效應)制成的環(huán)行器。它是早期應用的一種波導鐵氧體微波器件，后來逐漸被結環(huán)行器所取代，但在毫米波段仍有應用。

②相移式環(huán)行器:由雙T、方向耦合器和鐵氧體相移器等組成(圖3)。兩個雙T之間聯(lián)結波導的電長度是相等的，而相移器僅對從左面輸入的信號產(chǎn)生180°的相移。這樣，由1臂輸入的信號到達雙 T時是同相，從2臂輸出;從2臂輸入的信號到達雙 T時是反相，從 3臂輸出。依此類推，即能實現(xiàn)1→2，2→3，3→4，4→1的環(huán)行。這種環(huán)行器可承受較高的功率。 ③結環(huán)行器:在一個三端 120°軸對稱的波導或帶線結的中心放置鐵氧體片，并垂直加上恒定磁場即構成一個 Y型結環(huán)行器。它具有結構簡單、性能良好等優(yōu)點。它可做成T型，為了滿足微波集成電路的需要,可做成微帶結環(huán)行器。

④集總參數(shù)環(huán)行器:在較低的微波頻段,可以在Y型環(huán)行器的帶線中心導體結處構成集總參數(shù)的電感，同時在各臂加上適當數(shù)值的電容來分別調諧各個臂。這樣，就可用結構緊湊、體積小的集總參數(shù)元件來代替分布參數(shù)的帶線，使環(huán)行器的體積大大減小。

鐵氧體開關 利用鐵氧體的旋磁效應制成的微波電路開關。常用環(huán)行器構成，通過改變外磁場方向來完成開關作用。波導式和同軸式鐵氧體開關比較成熟，按磁路結構它們又可分為內回路式和外回路式。前者開關能量低，速度快;后者頻帶較寬。鐵氧體開關一般采用鎖式(或稱數(shù)字式)，開關時間可達微秒級，能承受較大的功率，插入損耗較小，多用于雷達、通信和其他微波系統(tǒng)中。

鐵氧體相移器 利用鐵氧體材料的磁化強度或張量磁導率隨外加磁場的變化來改變傳輸電磁波相位的微波器件。微波鐵氧體相移器的種類很多:按結構可分為波導式、同軸式、帶線式或微帶式相移器;按互易性可分為互易和非互易相移器;按工作方式(激勵方式)可分為連續(xù)(模擬)和步進(數(shù)字)相移器;按功率容量可分為高功率和低功率相移器等。鐵氧體相移器最主要的參數(shù)是品質因數(shù)(或稱優(yōu)值)，以度/分貝表示,即1分貝衰耗時能達到的相移量。各種鐵氧體相移器可用于相控陣雷達天線各單元的相位控制，在通信系統(tǒng)中也有廣泛的應用。

鐵氧體調制器 利用交變外磁場控制鐵氧體材料旋磁效應，對電磁波進行調制的微波器件，如調相器、調幅器等。

鐵氧體調相器用于對微波信號進行相位調制。它是在矩形波導中沿軸線方向放置一根鐵氧體棒，波導外面繞上線圈而構成。當微波信號通過波導時，其相位即受由載流線圈產(chǎn)生的徑向磁場而磁化的鐵氧體棒的影響而發(fā)生變化。載流線圈的安匝數(shù)越大,相位改變也越大;反之越小。當線圈中通以交變電流時，則傳輸?shù)奈⒉ㄊ艿秸{制而成為交變調相波。

鐵氧體調幅器用于對微波信號進行幅度調制，其結構與調相器類似，不同的是在鐵氧體中間夾有平行于波導寬邊的噴涂鎳鉻合金電阻薄膜的云母片。當微波信號通過波導時，因受到磁化的鐵氧體中電阻薄膜的影響而產(chǎn)生衰耗,衰耗量與載流線圈的安匝數(shù)成比例。因此,輸出的微波信號的幅度也就隨著衰耗大小而變化，成為微波調幅波。

磁調濾波器 釔鐵石榴石等單晶具有很低的微波損耗，用釔鐵石榴石單晶小球或圓盤作諧振器具有很高的Q值。諧振頻率靠調諧外磁場而改變。利用這種現(xiàn)象制成的濾波器稱為磁調濾波器或釔鐵石榴石調諧濾波器。磁場的調諧往往用改變電流的方法來實現(xiàn)，因此又稱電調濾波器。這種器件的特點是:調諧速度快且無機械運動，調諧線性好，調諧頻率范圍寬，主要用于電子對抗和微波儀器中。

磁調振蕩器 利用釔鐵石榴石單晶小球諧振器作為諧振回路元件的固體振蕩器，通常又稱釔鐵石榴石調諧振蕩器。它的主要特點是體積小，可在寬頻帶內磁調諧。主要用于電子對抗和微波儀器中。

微波鐵氧體器件的應用日漸增多。大部分器件還需要提高性能、降低價格和進一步小型化、集成化、發(fā)展的重點將是電子對抗用的寬頻帶快速調諧器件、相控陣雷達用的相移器和通信衛(wèi)星系統(tǒng)用的低損耗器件等。研究的重點是在具有信號處理功能的靜磁波器件和高頻段的毫米波器件方面。

參考書目

向仁生著:《微波鐵氧體線性器件原理》，科學出版社，北京，1979。

B.Lax and K.J.Button,Microwave Ferrites and Ferrimagnetics,McGraw-Hill,New York,1962.