什么是参量放大器?

[拼音]：canliang fangdaqi

[外文]：parametric amplifier

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。

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。

图中是一种参量放大器的原理电路。它由信号频率回路、泵浦频率回路和空闲频率回路(简称信频回路、泵频回路和闲频回路)三部分组成。信频回路调谐于输入信号频率fs，放大后的信号也由此回路输出。泵频回路用以使泵浦电压耦合到变容管，使其电容量随泵频fP作周期变化。闲频回路允许存在第三个频率、即空闲频率fi的电流，以保证有合适的电容变化相位而获得放大功能。这种放大器的原理是：当信号使变容管引起较大的瞬时电荷时，加在变容管两端的泵频电压和闲频电压正好使电容值变小，从而提高电容上的信号电压分量；而当信号电压引起的瞬时电荷小时，则电容值变得较大。在这一过程中，就一个周期平均而言，是使泵源能量转变为信号能量，使微波信号得到放大。从电路角度来看，相当于信频回路呈现一等效的负电导，而使信号电流增大，或使输入信号得到放大。当信号频率、泵浦频率和空闲频率三者成fP＝fs+fi的关系时， 就能满足所要求的相位关系。

变容管参量放大器按工作方式区分，有负阻式放大器和上变频式放大器两大类。前者可分为信号频率和空闲频率大致相等的简并式放大器（这时信频回路可兼作闲频回路）和不相等的非简并式放大器。简并式放大器可用于射电天文接收机等双带运用的场合，这时信号频率和空闲频率的能量都被作为输出“信号”而加以利用。非简并式参量放大器作单带运用（通常只用信号频率）时，噪声较低，设计灵活，使用较广。

上变频式参量放大器实际上是一个有增益的参量变频器（见混频器）。它的等效电路类似于负电导参放的等效电路，但其中的闲频回路被调谐于f0＝fs+fP，并作为输出信号回路。其理论上的最大增益为f0／fs。这种参放的特点是输入、输出回路有较好的隔离，增益稳定，但增益较低，应用不广。

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。

参考书目

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