参量放大器

利用时变电抗参量实现低噪声放大的放大电路

参量放大器是利用时变电抗参量实现低噪声放大的放大电路。主要有变容管参量放大器和量子放大器。变容管参量放大器主要用来放大频率约为1～50吉赫之间的微弱信号，噪声特性略差于量子放大器，但结构简单，维护方便。

简介

利用时变电抗参量实现低噪声放大的放大电路。例如，在变容二极管的两端外加一个周期交变电压时，其电容参量将随时间作周期变化。若把这一时变电容接入信号回路中，且当电容量变化和信号电压变化满足适当关系时，就能使信号得到放大。外加的交变电压源称为泵浦源。利用铁芯非线性电感线圈和电子束的非线性等也能构成参量放大器。

发展

参量放大的原理在30年代就已出现，但直到50年代后期，可在微波频段工作的半导体变容二极管问世以后才得到发展。这是因为变容二极管具有很高的Q值,适于制作噪声电平极低的微波放大器。变容管参量放大器主要用来放大频率约为 1～50吉赫之间的微弱信号。在这个频率范围内，它的噪声特性略差于量子放大器，但结构简单，维护也很方便。实用参放的噪声很低,例如,在4吉赫频段，它的等效输入噪声温度在室温下可低至50K以下。工作温度降至20K时，其噪声温度可低至10K。

原理

在实际的参量放大电路中，如图1所示，只允许存在泵源频率fP、信号频率fs、和频或差频频率fP±fs的功率。对其它各组合频率一律加以抑制，使其功率皆为零。图1中VD为变容二极管；Us为信号源，Rs为其电阻，Bs为信号频率fs的带通滤波器；UP为泵浦电源，Rp为其内阻，Bp为泵源频率fP的带通滤波器；Bi为和频或差频的带通滤波器，Ri为负载。在这种情况下门雷一罗威公式可简化为：

其中P0,1为信号功率Ps；P1，+1为和频fP+fs的功率； P1,-1为差频fp-fs的功率。若图1中，Bi为和频滤波器，则式（1)和式(2)中的“±”都取“+”。此时图所示的为上变频参量放大器，由于其信号频谱没有反转，故又称非反转型参量放大器。其输入频率为fs，输出频率为fS+fp，输出负载为和频滤波支路的Ri。由式(1)可见，信号功率Ps为正值，放大倍数等于和频fP+fs与信号频率fs功率之比。此放大器，工作稳定，增益较高，多用于上变频器。若图1中Bi为差频滤波器，则式(1)和式(2)中的“±”都取“一”，此时亦为上变频参量放大器，但其信号频谱反转了，故又称反转型上变频参量放大器。由式（1）可见，信号功率Ps为负值。从阻抗相当于在放大器的信号输入端出现负阻。负阻的出现使电路工作存在着潜在的不稳定性，故作为变频器,多不被采用。

利用此负阻可以构成反射型参量放大器，原理图如图2所示。信号功率Psi由环行器①端输入，经②端至放大器输入端，由于存在负阻，此点的反射系数大于1，于是就有一个功率大于Psi的反射波Psr由环行器②端输入，经③端输出。实现了同频放大。Bi支路内的差频信号，在输入端和输出端都未出现，故称空闲频率。它是非线性电抗元件中能量转换的必要条件之一。这种放大器虽然也存在着由负阻所引起的不稳定性，但由于它的优良低噪声性，所以在低噪声放大中仍占有重要位置。一般所说的参量放大器是指此类而言。

噪声

变容管参量放大器的内部噪声主要来自变容管寄生电阻的热噪声。使变容管(或整个参放)在温度很低(77K或更低)的环境下工作,可以大大降低噪声，这种参量放大器也称为致冷式参量放大器，简称冷参。由于变容管质量已大为提高，工作在常温或用小型半导体致冷器使之冷却到-40℃的参放,也可以获得良好的噪声性能。这种参量放大器简称为“常参”，与冷参相比，它具有结构简单、可靠性高、造价低、维修方便等优点。

应用

参量放大器是一种变电抗放大器，电抗元件在电路中不产生噪声。它本质上是一种低噪声装置，其噪声温度可以低于环境温度。液氦冷却的参量放大器在4000MHz频段噪声温度已达15K,简单的电致冷参放也可达40K。它在雷达,导航深空探测、电子侦察、卫星通信等方面都有应用。

参考书目

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

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