本发明属于量子力学、半导体物理、电子学技术领域，具体涉及一种微波放大器。
背景技术：
放大器是电子学中的基本器件，其主要功能是对激励信号的功率进行放大后输出。一般情况下，射频微波放大器多由晶体管实现，该类放大器需要引入直流电，目的在于将晶体管偏置于放大区，从能量角度而言是将直流能量转化为微波能量，而直流偏置电路的引入往往会造成器件与器件之间、模块与模块之间的串扰，去除这种串扰较为困难，同时由于直流电存在一定的波动，这会引入额外的噪声。在噪声性能要求极高的情况下，常使用工作在极低温度的晶体管放大器。低温环境的获取使得该类放大器复杂度、成本、体积、重量和功耗急剧上升，极大的限制其应用范围。另一方面，目前不采用直流能量转化的脉泽放大器由于其极佳的噪声性能采用红宝石脉泽实现【深空网低噪声系统】，由于其具有极低的噪声温度，通常用于深空探测系统的接收前端，但是该类放大器需要在低温环境(<4.5k)下工作，且还需外加强磁场，结构复杂，体积庞大，成本较高，应用范围极为有限。
技术实现要素：
为了解决现有直流偏置放大器存在的串扰和低噪声放大器对低温环境的依赖，本发明提出了一种微波放大器，通过泵浦微波将含异质结的晶体管中的极化激元激发到高能级，利用输入信号在能级跃迁过程中的链式效应，使被激发到高能级的极化激元向下跃迁到能级区域内的指定能级，实现输入信号功率的放大。
本发明采用的技术方案如下：
一种反射式微波放大器，如图3(a)所示，包括环形器、源极匹配网络、泵浦匹配网络、含异质结的晶体管和调谐网络；其中，所述环形器与输入端、输出端、源极匹配网络输入端相连，源极匹配网络输出端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，所述泵浦匹配网络与含异质结的晶体管漏极相连；
输入信号经环形器进入源极匹配网络，经源极匹配网络匹配后馈入含异质结的晶体管；泵浦微波经泵浦匹配网络后，馈入含异质结的晶体管，使含异质结的晶体管能级中的极化激元激发到高能级，调谐网络根据所需放大信号的频率调整其谐振频率，使得输入信号能在低噪声的情况下得到最大放大倍率；经放大后的信号经源极匹配网络后，经环形器的输出端口输出，实现输入信号功率的放大。
其中，调谐网络的谐振频率根据所需放大信号频率确定。
一种通过式微波放大器，如图3(b)所示，包括输入匹配网络、含异质结的晶体管、漏极匹配网络、调谐网络、双工器、泵浦匹配网络和输出匹配网络；所述输入匹配网络与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，漏极与漏极匹配网络一端相连；所述漏极匹配网络另一端与双工器的总口相连，所述双工器的两个分口分别与泵浦匹配网络和输出匹配网络相连；
输入信号经输入匹配网络匹配后，馈入含异质结的晶体管；泵浦微波经泵浦匹配网络后，馈入含异质结的晶体管，使含异质结的晶体管能级中的极化激元激发到高能级；调谐网络根据所需放大信号的频率调整其谐振频率，使得被激发到高能级的极化激元向由调谐网络的谐振频率指定的低能级跃迁，向外辐射能量；同时由于输入信号频率的影响，被激发到高能级的极化激元向指定能级跃迁过程中，会形成稳定的受激辐射，即在低噪声下获得信号的放大；经放大后的信号通过输出匹配网络输出。
其中，调谐网络的谐振频率根据所需放大信号频率确定。
其中，泵浦微波包括天线接收空间辐射能量或微波传输线的馈入形式。
进一步地，所述含异质结的晶体管可以为异质结双极型晶体管或者场效应管(fet)等；其中，所述场效应管可以为金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或者高电子迁移率晶体管(hemt)。
本发明提供的一种反射式和通过式微波放大器，通过微波泵浦将含异质结的晶体管能级中的极化激元激发到高能级。具体为，在泵浦微波激励下，大量的极化激元跃迁到高能级，位于该能级的极化激元在大概率可以跃迁到调谐网络的谐振频率指定的能级，在频率为f输入信号的引导下，跃迁到与该高能级能量差为hf的低能级(即指定能级)，释放出与输入信号频率及相位相同的电磁波。随着泵浦微波功率的升高，参与跃迁的极化激元越来越多，当从高能级跃迁至低能级的极化激元释放的电磁波能量大于晶体管吸收的能量和电路损耗的能量时，即能实现对输入信号的放大。放大器的增益由微波泵浦的功率调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种微波放大器，有效解决了直流偏置放大器偏置电路串扰、电路走线要求高、直流电压纹波干扰以及脉泽放大器工作环境要求严苛、体积庞大、工艺复杂、成本高昂等难题，通过采用通用半导体工艺制作的晶体管实现微波放大器，该放大器结构简单，工作温度要求低，其泵浦功率可以空间辐射的形式提供，具有很好的灵活性。
附图说明
图1为现有的直流偏置放大器示意图；
图2为现有的红宝石脉泽放大器示意图；
图3(a)为本发明的反射式微波放大器示意图；
图3(b)为本发明的通过式微波放大器示意图；
图4为本发明的微波放大器的工作原理图；
图5为本发明微波放大器在不同泵浦功率下矢量网络分析仪的实测曲线。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图3(a)所示，为本发明的反射式微波放大器示意图；包括环形器、源极匹配网络、泵浦匹配网络、含异质结的晶体管和调谐网络；其中，所述环形器与输入端、输出端、源极匹配网络输入端相连，源极匹配网络输出端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，所述泵浦匹配网络与含异质结的晶体管漏极相连。输入信号从环形器的一个端口输入，放大后的信号从环形器的另一个端口输出。
其中，源极匹配网络的目的是实现环形器输出阻抗与晶体管源极阻抗的匹配，将所需放大的微波信号更高效地馈入晶体管，并将放大后的微波信号更高效地馈至环形器。泵浦匹配网络实现漏极阻抗到天线或传输线的阻抗匹配，从而高效的利用泵浦能量。调谐网络的作用是实现谐振频率的可控，从而达到调节放大器工作频率的目的。
如图3(b)所示，为本发明的通过式微波放大器示意图；包括输入匹配网络、含异质结的晶体管、漏极匹配网络、调谐网络、双工器、泵浦匹配网络和输出匹配网络；所述输入匹配网络与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，漏极与漏极匹配网络一端相连；所述漏极匹配网络另一端与双工器的总口相连，所述双工器的两个分口分别与泵浦匹配网络和输出匹配网络相连。输入信号首先进入输入匹配网络，放大后的信号经输出匹配网络输出。
其中，输入匹配网络的目的是实现输入端阻抗与晶体管源极阻抗的匹配将所需放大的微波信号更高效的馈入晶体管。漏极匹配网络实现漏极阻抗到双工器的阻抗匹配，保障放大信号的有效传输和双工器的频谱响应良好。泵浦匹配网络实现双工器到天线或传输线的阻抗匹配，从而高效的利用泵浦能量。输出匹配实现双工器与后级电路或传输线的阻抗匹配。调谐网络的作用是实现谐振频率的可控，从而达到调节放大器工作频率的目的。
本发明微波放大器的工作原理如图4所示，在泵浦微波激励下，极化激元跃迁到高能级，位于该能级的极化激元可大概率跃迁至由调谐网络谐振频率指定的能级，同时在频率为f输入信号的引导下，会跃迁到与该高能级能量差为hf的低能级(即由调谐网络谐振频率指定的能级)，释放出与输入信号频率及相位相同的电磁波。随着泵浦微波功率的升高，参与跃迁的极化激元越来越多，当从高能级跃迁至低能级的极化激元释放的电磁波能量大于晶体管吸收的能量和电路损耗的能量时，即能实现对输入信号的放大。放大器的增益由微波泵浦的功率调控。
图5为本发明微波放大器在不同泵浦功率下矢量网络分析仪的实测曲线；由图5可知，当泵浦功率为-32.0dbm时，器件在70mhz处没有增益，且呈现衰减现象；当泵浦功率为-21.5dbm时，器件在70mhz处没有增益，也无衰减现象；当泵浦功率为-19.6dbm时，器件在70mhz处增益达12.4db；当泵浦功率为-18.9dbm时，器件在70mhz处增益达31.2db；由此可知，通过控制泵浦功率，可以实现放大效应，且放大量可控。
本发明的微波放大器具有结构简单、常温实现、无强磁场、无需直流偏置即能工作的特点；可广泛应用于医学、安全、传感、量子技术和电子学等领域。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
1.一种反射式微波放大器，其特征在于，包括环形器、源极匹配网络、泵浦匹配网络、含异质结的晶体管和调谐网络；其中，所述环形器与输入端、输出端、源极匹配网络输入端相连，源极匹配网络输出端与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，所述泵浦匹配网络与含异质结的晶体管漏极相连。
2.一种通过式微波放大器，其特征在于，包括输入匹配网络、含异质结的晶体管、漏极匹配网络、调谐网络、双工器、泵浦匹配网络和输出匹配网络；所述输入匹配网络与含异质结的晶体管源极相连，含异质结的晶体管栅极通过调谐网络接地，漏极与漏极匹配网络一端相连；所述漏极匹配网络另一端与双工器的总口相连，所述双工器的两个分口分别与泵浦匹配网络和输出匹配网络相连。
技术总结