參數振盪器

參數振盪器（英語：parametric oscillator）是一種受驅動的諧振器，其中驅動系統的參數設定在某些頻率，而這頻率通常與振盪器的自然頻率不同。參數振盪器的一個簡單例子為兒童在鞦韆上周期性地站立跟蹲下，來增加鞦韆的振盪幅度。兒童的動作改變了鞦韆擺盪的慣量。這個驅動的頻率必須是鞦韆自然頻率的兩倍。其他相關可改變的參數包括振盪器的共振頻率以及阻尼。

基本介紹

• 中文名：參數振盪器
• 外文名：parametric oscillator
• 學科：電氣工程

歷史

參數振盪在力學中首先被注意到。麥可法拉第（Michael Faraday，1831年）是第一個注意到振動頻率是雙倍頻率的力的興奮振動，在興奮地“唱歌”的葡萄酒杯中觀察到的脆化（褶皺表面波）。弗朗茨梅爾德（Franz Melde，1860年）通過使用音叉周期性地改變弦的兩倍共振頻率下的張力，在弦中產生參數振盪。參數振盪首先被瑞利（1883,1887）視為一般現象。

最早將這一概念套用於電路的人之一是George Francis FitzGerald，他於1892年試圖通過用發電機提供的變化的電感來激勵LC電路中的振盪。1913年至1915年間，參數放大器（paramps）首先用於從柏林到維也納和莫斯科的無線電話，並被預測會有一個有用的未來（Ernst Alexanderson，1916）。這些早期的參量放大器使用鐵芯電感的非線性，所以它們只能在低頻下工作。

1948年，Aldert van der Ziel指出了參量放大器的一個主要優點：因為它使用可變電抗而不是電阻來放大，所以它本身具有低噪聲。作為A參量放大器前端一個的無線電接收器，同時引入非常小的噪聲可以放大弱信號。1952年，貝爾實驗室的Harrison Rowe將傑克曼利的抽水振盪的數學工作擴展到1934年，並發表了現代的參數振盪數學理論Manley-Rowe關係。

1956年發明的變容二極體具有可用於微波頻率的非線性電容。變容管參量放大器由Marion Hines於1956年在Western Electric開發。當時它被發明的微波正在被利用，而變容二極體放大器是第一個微波頻率的半導體放大器。它套用於許多領域的低噪聲無線電接收機，並已廣泛用於射電望遠鏡，衛星地面站和遠程雷達。這是今天使用的主要參量放大器類型。自那時以來，參量放大器已經與其他非線性有源器件（如約瑟夫森結）一起構建。該技術已經擴展到使用非線性晶體作為有源元件的光學參量振盪器和放大器中的光學頻率。

數學分析[編輯]

參量振盪器是一種諧振子，其物理性質隨時間而變化。這種振盪器的方程式是

這個方程是線性的 。通過假設，參數和 只取決於時間而不依賴于振盪器的狀態。一般來說和 假定在同一時期周期性地變化。

如果這些參數在大致改變兩次的固有頻率的振盪器的（定義如下），振盪器相位鎖定到參數變化和以正比於它已經具有的能量的速率吸收能量。沒有補償性的能量損失機制，振盪幅度呈指數增長。（這種現象稱為參數激勵，參數共振或參數泵浦。）但是，如果初始振幅為零，它將保持如此;這與驅動的簡諧振盪器的非參數諧振區分開來，其中振幅隨時間線性增長而不管初始狀態如何。

參數和驅動振盪的熟悉體驗正在擺動。來回擺動將擺動作為一個驅動諧波振盪器，但一旦移動，擺動也可以通過在擺動弧的關鍵點處交替站立和蹲坐來參數化驅動。這改變了擺動的慣性矩並因此改變了共振頻率，並且兒童可以快速達到大振幅，只要它們具有一些開始的振幅（例如，獲得推動力）。然而，站立和蹲坐休息，無處可逃。

參數振盪器的套用

參數振盪器套用於物理學中多個領域。經典的變容二極體參數振盪器組成包括有一個半導體變容二極體，連線到共振電路或腔室共振器。驅動機制為投過改變偏壓來調整二極體的電容。改變二極體電容的電路則稱作“泵”（pump）或“驅動器”（driver）。在微波電路中則是用電磁波導/釔鋁石榴石（YAG）為基礎的參數振盪器，工作原理仍是相同。另一個重要的例子為光學參數振盪器，其將入射的雷射光波轉換成兩道較低頻率（分別為）的出射光波。