Введение резонатора в конструкцию с одной стороны увеличивает коэффициент усиления, а с другой – во столько же раз уменьшает полосу пропускания. Последнее значительно сужает область применения усилителя. Однорезонаторные усилители не получили широкого распространения из-за невозможности обеспечить одновременно большой коэффициент усиления и широкую полосу пропускания. Оказалось, что можно сохранить широкую полосу пропускания при большом коэффициенте усиления, применив несколько резонаторов. Существует два типа многорезонаторных усилителей – усилители отражательного типа с циркулятором (рис.1) и усилители проходного типа (рис.2). В проходных квантовых усилителей волна распространяется вдоль цепочки резонаторов, заполненных активным веществом. В каждом резонаторе при значительной полосе пропускания усиление невелико, но полное усиление всей цепочки может быть достаточно большим. Резонаторы проходного усилителя соединены друг с другом ферритовыми невзаимными элементами. Под действием постоянного магнитного поля ферриты приобретают свойство пропускать волну, распространяющуюся в одном направлении, поглощая встречную волну. Основным недостатком многорезонаторных квантовых усилителей является сложность перестройки частоты усилителя, так как при этом необходимо одновременно с изменением магнитного поля Н менять собственную частоту большого числа резонаторов, что технически трудно

Время взаимодействия волны с веществом можно увеличить, применяя вместо системы резонаторов замедляющие системы. Скорость распространения волны вдоль такой структуры во много раз меньше скорости распространения волны в радиоволноводе или в свободном пространстве. Соответственно увеличивается и усиление при прохождении волной единицы длины кристалла. Существенно, что замедляющие структуры широкополосны. Это даёт возможность перестраивать частоту усилителя изменением только магнитного поля. Полоса пропускания таких усилителей, а также многорезонаторных квантовых усилителей определяется шириной спектральной линии. Квантовые уссилители с замедляющей структурой получили название усилителей бегущей волны. В них также применяются ферриты. Они пропускают волну, распространяющуюся вдоль замедляющей структуры в нужном направлении, и поглощают встречные, отражённые волны.

Мощность шумов удобно измерять, сравнивая её с мощностью теплового излучения абсолютно чёрного тела. Спектр теплового излучения включает оптический и радиодиапазоны. Т. о., мощность шумов можно выражать через абсолютную температуру. Предельная низкая температура шума, обусловленная спонтанным излучением для λ =3 см, составляет 0,5 К. Для большинства активных веществ мощность шума колеблется в пределах от 1 К до 5 К. В реальных усилителях к этим ничтожно малым шумам добавляется гораздо более мощное тепловое излучение подводящих радиоволноводов и др. конструктивных деталей. Мощность шумов, излучаемую волноводом, можно характеризовать величиной bТ, где b – коэффициент поглощения волны, а Т – его абсолютная температура. Для уменьшения шумов необходимо охладить возможно большую часть входных деталей. Но охладить весь входной тракт до температуры жидкого гелия невозможно. Поэтому не удаётся снизить шумы усилителей с антенной до величины ниже 15–30 К. Это приблизительно в 100 раз меньше уровня шумов лучших усилителей, имевшихся до появления квантовых услителей.

Охлаждение квантовых усилителей производится жидким гелием в криостатах. Трудности, связанные со сжижением, транспортировкой и переливкой жидкого гелия из транспортных сосудов в криостаты, ограничивают возможность применения квантовых усилителей, осложняют и удорожают их эксплуатацию. Разработаны небольшие холодильные машины с замкнутым циклом движения охлаждающего вещества. Масса такой машины, рассчитанной на охлаждение усилителя до 40 К, составляет 10–20 кг. Машина, рассчитанная на получение 4 К, весит более чем 200 кг и потребляет мощность в несколько кВт.

Усиление можно увеличить, заставив волну многократно проходить через активное вещество. Для этого активное вещество помещают в объёмный резонатор (полость, ограниченную металлическими стенками). Волна, попавшая из антенны в резонатор через отверстие в его стенке (отверстие связи), многократно отражается от стенок резонатора и длительно взаимодействует с активным веществом (рис.1). Усиление будет эффективным, если при каждом отражении от стенки фаза отражённой волны совпадает с фазой падающей волны. Это условие выполняется при определённых размерах резонатора, т. е. резонатор так же, как и само вещество, должен быть настроен на частоту усиливаемой волны. При каждом отражении от стенки с отверстием часть электромагнитной энергии излучается наружу в виде усиленного сигнала. Для разделения входа и выхода резонаторного усилителя применяется циркулятор (рис.2). Такой усилитель называется отражательным.

Для получения оптимальных характеристик необходимо подобрать размер отверстия связи, так как, кроме требуемого коэффициента усиления, усилитель должен иметь нужную полосу пропускания, которая определяет его способность усиливать сигналы, быстро меняющиеся во времени. Чем быстрее во времени меняется сигнал, тем больший частотный интервал он занимает. Если полоса пропускания усилителя Δv меньше полосы частот, занимаемой сигналом, то произойдёт сглаживание быстрых изменений сигнала в усилителе.