[发明专利]一种基于阻抗实部近零有源电磁超材料的微波放大器

说明书

本发明公开了一种基于阻抗实部近零有源电磁超材料的微波放大器，器件主要分为输入、放大和输出三部分。为使信号源和放大部分均免受反射波的干扰，输入部分由偏振取向成45度的两偏振片1A和2A，以及放置在两偏振片间的旋磁铁氧体1B构成。放大部分采用阻抗实部趋近于零的有源电磁超材料。输出部分采用偏振片3A和旋磁铁氧体2B组合而成，以隔离透射波的可能回波。本发明基于新的电磁波增强机制、便于调节放大倍数，易于小型化。

技术领域

本发明属于电磁超材料和微波技术领域，一种基于阻抗实部近零有源电磁超材料的微波放大器。

背景技术

常用的微波放大设备有：微波晶体管放大器、行波管和微波激射放大器。

微波晶体管放大器采用晶体管作为有源器件，对微波信号实现放大。分为微波大功率放大器、微波低噪声放大器两种。微波功率放大器用于放大较强的微波信号，工作频段可以由1GHz延伸至30GHz，线性输出功率大于几十瓦。微波低噪声放大器装置在微波接收机的输入端，放大接收机的噪声电平，直接决定接收机所能够接收的最低信号电平，对提高接收机的灵敏度具有重要作用。

行波管依靠和电磁波同步的电子把能量交给电磁波而实现放大，广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域作为微波功率放大的核心器件。

微波激射放大器则利用高低两能态粒子布居数反转的原子(或分子、离子等)系统受微波辐射场激励时，受激态原子齐同作共振发射跃迁，产生放大的微波。激射放大器因噪声低，可用作射电望远镜和雷达系统接收机的前置放大器，以提高灵敏度。

近年来，左手材料、折射率近零材料、左手传输线、有源左手传输线等电磁超材料展现了新颖的电磁特性和广泛的应用前景，激发人们深入而系统地探讨具有独特电磁参量的材料的电磁特性和可能应用。研究表明，阻抗实部近零材料，作为具有独特电磁参量的一类超材料，也具有新颖的电磁特性，如电磁波在阻抗实部为零材料中平均能流密度为零、垂直射入阻抗实部近零平板电磁波的反射和透射均可被显著增强等，有望在光停留、微波放大等领域获得应用。

发明内容

本发明的目的在于采用阻抗实部近零有源电磁超材料独特的电磁特性，提供一种基于新的电磁波增强机制、实现微波放大的器件。

考虑如附图1(a)所示电磁波垂直射入厚度为d、介电常数磁导率平板的情形，反射系数平板内前向波系数后向波系数和透射系数可分别表示为

其中，是空气阻抗，是平板阻抗，α_η＝(α_μ-α_ε)/2，是电磁波在平板内的波矢，α_k＝(α_μ+α_ε)/2。当平板介电常数和磁导率分别取为和时，有α_η＝(α_μ-α_ε)/2＝-0.45π，材料阻抗实部较小，且cosα_η＜＜|sinα_η|，计算结果如附图1(b)所示。可见，当平板厚度(λ为电磁波在平板中的波长)时，垂直入射电磁波的反射波能流＜S_r＞和透射能流＜S_t＞都显著增强。

分析电磁波穿过平板时的能量变换过程，可得到平板内电磁波瞬时能流表达式

可见，在平板内电磁波能流可分成三部分和分别对应前向波、后向波和两波的交叉。根据(5)式，如果亦即cosα_η～0，sinα_η～±1，阻抗实部接近于0，和均小于＜SC＞(见附图1(b))，交叉项起主导作用，导致平板厚度d接近的奇数倍时，垂直入射电磁波的反射和透射均显著增强。