參量放大器原理

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(hào)頻率fs、和頻或差頻頻率fP±fs的功率。對(duì)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(hào)源，Rs為其電阻，Bs為信號(hào)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(jiǎn)化為:

其中P0,1為信號(hào)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(hào)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(hào)功率Ps為正值，放大倍數(shù)等于和頻fP+fs與信號(hào)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(hào)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(hào)功率Ps為負(fù)值。從阻抗相當(dāng)于在放大器的信號(hào)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(hào)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(hào)，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。

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(hào)。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(jiǎn)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。

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(hào)回路中，且當(dāng)電容量變化和 信號(hào)電壓變化滿足適當(dāng)關(guān)系時(shí)，就能使信號(hào)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。

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(jiǎn)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(jiǎn)稱為"常參"，與冷參相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

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(jiǎn)單的電致冷參放也可達(dá)40K。它在雷達(dá),導(dǎo)航深空探測(cè)、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(chǎng)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。

這種器件在微波電路中對(duì)微波信號(hào)或能量起隔離、環(huán)行、方向變換、相位控制、幅度調(diào)制或頻率調(diào)諧等作用，廣泛用于雷達(dá)、通信、無線電導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙控、遙測(cè)等微波系統(tǒng)以及微波測(cè)量?jī)x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(guān)、調(diào)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(dá)到實(shí)用,但對(duì)其他參量器件的發(fā)展起了促進(jìn)作用。60年代初，磁調(diào)濾波器、磁調(diào)振蕩器等研制成功，在電子對(duì)抗技術(shù)和微波測(cè)量?jī)x器中得到應(yīng)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(yīng)制成的。鐵氧體的旋磁效應(yīng)來自電子自旋運(yùn)動(dòng)。一個(gè)帶有負(fù)電荷的電子作自旋運(yùn)動(dòng)必然同時(shí)具有角動(dòng)量及磁矩。如這個(gè)電子的角動(dòng)量為P，磁矩為M,則磁矩與角動(dòng)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(chǎng)H0的作用時(shí)，磁矩的進(jìn)動(dòng)方程式為

dM/dt=-γM×H0 (2)

M圍繞H0按右旋方向進(jìn)動(dòng), 這種進(jìn)動(dòng)也稱拉莫爾進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)角頻率為

ω0=γH0 (3)

由于進(jìn)動(dòng)有能量損耗，M與H0的夾角θ會(huì)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(chǎng)h，則能彌補(bǔ)進(jìn)動(dòng)的能量損耗,使M的進(jìn)動(dòng)可以維持下去。當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率ω與M進(jìn)動(dòng)頻率ω0相等時(shí)，進(jìn)動(dòng)的幅度達(dá)到最大。這就是鐵磁共振現(xiàn)象。這時(shí)高頻交變磁場(chǎng)的頻率稱為鐵磁共振頻率。 旋磁介質(zhì)材料在產(chǎn)生鐵磁共振時(shí)，它的磁導(dǎo)率是一個(gè)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(yīng)強(qiáng)度b和交變磁場(chǎng)強(qiáng)度h的關(guān)系為

b=0μh

式中稱為旋磁張量磁導(dǎo)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(zhì)可以近似地認(rèn)為是均勻的各向同性的,在外加直流恒定磁場(chǎng)H0的作用下,它就變?yōu)楦飨虍愋缘?。這時(shí)沿著x軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度h所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)還具有y方向的分量jkhx。μ項(xiàng)可以認(rèn)為是h直接對(duì)b的貢獻(xiàn)，而k項(xiàng)可以認(rèn)為是一個(gè)耦合項(xiàng)，它把高頻能量由一種極化轉(zhuǎn)換為另一種極化。

由于旋磁介質(zhì)具有各向異性的特性，電磁波在這種介質(zhì)中傳播就會(huì)產(chǎn)生一系列新的效應(yīng)，如極化面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng))、非互易場(chǎng)移效應(yīng)、共振吸收以及張量磁導(dǎo)率的改變等，利用這些效應(yīng)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(duì)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(qiáng)度及其溫度系數(shù)、居里點(diǎn)、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(jié)構(gòu)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(zhǎng);單晶薄膜材料用液相外延或氣相外延工藝生長(zhǎng)。

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(guān)、相移器、調(diào)制器、磁調(diào)濾波器、磁調(diào)振蕩器、磁表面波延遲線等;按結(jié)構(gòu)形式分，有波導(dǎo)式、同軸式、帶線式及微帶式;按工作方式分，有法拉第旋轉(zhuǎn)式、共振式、場(chǎng)移式、結(jié)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〞?huì)產(chǎn)生很大的衰減,常用于振蕩器與負(fù)載的隔離,消除電磁波反射造成的頻率漂移等影響。對(duì)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(yīng)規(guī)定承受功率和工作溫度等。

①法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器:利用電磁波在縱向磁化的鐵氧體棒中傳播時(shí)極化面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)(即法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng))制成的隔離器。這種隔離器結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(duì)右圓極化波的高頻磁場(chǎng)有共振吸收現(xiàn)象，而對(duì)左圓極化波不存在共振吸收)制成的隔離器。它又分為波導(dǎo)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(shí)制作困難。

③場(chǎng)移式隔離器:當(dāng)矩形波導(dǎo)中部分充填橫向磁化的鐵氧體時(shí)，則波導(dǎo)中電磁場(chǎng)的分布即與磁化方向和傳播方向有關(guān)。這就是場(chǎng)移效應(yīng)。利用這種效應(yīng)可以制成場(chǎng)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(cè)試系統(tǒng)中。

④邊導(dǎo)模隔離器:當(dāng)以橫向磁化的鐵氧體為介質(zhì)的帶線或微帶中心導(dǎo)體寬度遠(yuǎn)大于鐵氧體的厚度時(shí)，電磁波傳播的主模式是邊導(dǎo)模。這種模式的主要特點(diǎn)是當(dāng)電磁波沿某一方向傳播時(shí)，能量集中于帶線的一邊，當(dāng)沿相反方向傳播時(shí)，則能量集中于另一邊。而且這種能量的集中與頻率無關(guān)。利用這種模式可以制成邊導(dǎo)模隔離器。這種隔離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶極寬，可以達(dá)到多倍頻程。

⑤集總元件隔離器:一種各端口內(nèi)部都與集總元件網(wǎng)絡(luò)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(huì)按照一定順序傳輸?shù)较乱粋€(gè)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(chǎng)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(gè)天線上同時(shí)進(jìn)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(zhuǎn)式環(huán)行器:利用極化面旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(法拉第效應(yīng))制成的環(huán)行器。它是早期應(yīng)用的一種波導(dǎo)鐵氧體微波器件，后來逐漸被結(jié)環(huán)行器所取代，但在毫米波段仍有應(yīng)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(gè)雙T之間聯(lián)結(jié)波導(dǎo)的電長(zhǎng)度是相等的，而相移器僅對(duì)從左面輸入的信號(hào)產(chǎn)生180°的相移。這樣，由1臂輸入的信號(hào)到達(dá)雙 T時(shí)是同相，從2臂輸出;從2臂輸入的信號(hào)到達(dá)雙 T時(shí)是反相，從 3臂輸出。依此類推，即能實(shí)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(jié)環(huán)行器:在一個(gè)三端 120°軸對(duì)稱的波導(dǎo)或帶線結(jié)的中心放置鐵氧體片，并垂直加上恒定磁場(chǎng)即構(gòu)成一個(gè) Y型結(jié)環(huán)行器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好等優(yōu)點(diǎn)。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(jié)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(dǎo)體結(jié)處構(gòu)成集總參數(shù)的電感，同時(shí)在各臂加上適當(dāng)數(shù)值的電容來分別調(diào)諧各個(gè)臂。這樣，就可用結(jié)構(gòu)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(guān) 利用鐵氧體的旋磁效應(yīng)制成的微波電路開關(guān)。常用環(huán)行器構(gòu)成，通過改變外磁場(chǎng)方向來完成開關(guān)作用。波導(dǎo)式和同軸式鐵氧體開關(guān)比較成熟，按磁路結(jié)構(gòu)它們又可分為內(nèi)回路式和外回路式。前者開關(guān)能量低，速度快;后者頻帶較寬。鐵氧體開關(guān)一般采用鎖式(或稱數(shù)字式)，開關(guān)時(shí)間可達(dá)微秒級(jí)，能承受較大的功率，插入損耗較小，多用于雷達(dá)、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(qiáng)度或張量磁導(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)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(jié)構(gòu)可分為波導(dǎo)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(lì)方式)可分為連續(xù)(模擬)和步進(jìn)(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(zhì)因數(shù)(或稱優(yōu)值)，以度/分貝表示,即1分貝衰耗時(shí)能達(dá)到的相移量。各種鐵氧體相移器可用于相控陣?yán)走_(dá)天線各單元的相位控制，在通信系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用。

鐵氧體調(diào)制器 利用交變外磁場(chǎng)控制鐵氧體材料旋磁效應(yīng)，對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)制的微波器件，如調(diào)相器、調(diào)幅器等。

鐵氧體調(diào)相器用于對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。它是在矩形波導(dǎo)中沿軸線方向放置一根鐵氧體棒，波導(dǎo)外面繞上線圈而構(gòu)成。當(dāng)微波信號(hào)通過波導(dǎo)時(shí)，其相位即受由載流線圈產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)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(dāng)線圈中通以交變電流時(shí)，則傳輸?shù)奈⒉ㄊ艿秸{(diào)制而成為交變調(diào)相波。

鐵氧體調(diào)幅器用于對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，其結(jié)構(gòu)與調(diào)相器類似，不同的是在鐵氧體中間夾有平行于波導(dǎo)寬邊的噴涂鎳鉻合金電阻薄膜的云母片。當(dāng)微波信號(hào)通過波導(dǎo)時(shí)，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(hào)的幅度也就隨著衰耗大小而變化，成為微波調(diào)幅波。

磁調(diào)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(diào)諧外磁場(chǎng)而改變。利用這種現(xiàn)象制成的濾波器稱為磁調(diào)濾波器或釔鐵石榴石調(diào)諧濾波器。磁場(chǎng)的調(diào)諧往往用改變電流的方法來實(shí)現(xiàn)，因此又稱電調(diào)濾波器。這種器件的特點(diǎn)是:調(diào)諧速度快且無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，調(diào)諧線性好，調(diào)諧頻率范圍寬，主要用于電子對(duì)抗和微波儀器中。

磁調(diào)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(diào)諧振蕩器。它的主要特點(diǎn)是體積小，可在寬頻帶內(nèi)磁調(diào)諧。主要用于電子對(duì)抗和微波儀器中。

微波鐵氧體器件的應(yīng)用日漸增多。大部分器件還需要提高性能、降低價(jià)格和進(jìn)一步小型化、集成化、發(fā)展的重點(diǎn)將是電子對(duì)抗用的寬頻帶快速調(diào)諧器件、相控陣?yán)走_(dá)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(diǎn)是在具有信號(hào)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(xué)出版社，北京，1979。

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