[發明專利]一種基于阻抗實部近零有源電磁超材料的微波放大器

有效

• 申請號: 201710388259.1
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107332526B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 陳將偉;朱曉璇;康娥;朱莉莉
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H03F1/56
• 分類號: H03F1/56;H03F3/189;H03F3/20
• 代理公司: 江蘇海越律師事務所 32402
• 代理人: 唐小紅

本發明公開了一種基于阻抗實部近零有源電磁超材料的微波放大器，器件主要分為輸入、放大和輸出三部分。為使信號源和放大部分均免受反射波的干擾，輸入部分由偏振取向成45度的兩偏振片1A和2A，以及放置在兩偏振片間的旋磁鐵氧體1B構成。放大部分采用阻抗實部趨近于零的有源電磁超材料。輸出部分采用偏振片3A和旋磁鐵氧體2B組合而成，以隔離透射波的可能回波。本發明基于新的電磁波增強機制、便于調節放大倍數，易于小型化。

技術領域

本發明屬于電磁超材料和微波技術領域，一種基于阻抗實部近零有源電磁超材料的微波放大器。

背景技術

常用的微波放大設備有：微波晶體管放大器、行波管和微波激射放大器。

微波晶體管放大器采用晶體管作為有源器件，對微波信號實現放大。分為微波大功率放大器、微波低噪聲放大器兩種。微波功率放大器用于放大較強的微波信號，工作頻段可以由1GHz延伸至30GHz，線性輸出功率大于幾十瓦。微波低噪聲放大器裝置在微波接收機的輸入端，放大接收機的噪聲電平，直接決定接收機所能夠接收的最低信號電平，對提高接收機的靈敏度具有重要作用。

行波管依靠和電磁波同步的電子把能量交給電磁波而實現放大，廣泛應用于雷達、電子對抗、通信等領域作為微波功率放大的核心器件。

微波激射放大器則利用高低兩能態粒子布居數反轉的原子(或分子、離子等)系統受微波輻射場激勵時，受激態原子齊同作共振發射躍遷，產生放大的微波。激射放大器因噪聲低，可用作射電望遠鏡和雷達系統接收機的前置放大器，以提高靈敏度。

近年來，左手材料、折射率近零材料、左手傳輸線、有源左手傳輸線等電磁超材料展現了新穎的電磁特性和廣泛的應用前景，激發人們深入而系統地探討具有獨特電磁參量的材料的電磁特性和可能應用。研究表明，阻抗實部近零材料，作為具有獨特電磁參量的一類超材料，也具有新穎的電磁特性，如電磁波在阻抗實部為零材料中平均能流密度為零、垂直射入阻抗實部近零平板電磁波的反射和透射均可被顯著增強等，有望在光停留、微波放大等領域獲得應用。

發明內容

本發明的目的在于采用阻抗實部近零有源電磁超材料獨特的電磁特性，提供一種基于新的電磁波增強機制、實現微波放大的器件。

考慮如附圖1(a)所示電磁波垂直射入厚度為d、介電常數磁導率平板的情形，反射系數平板內前向波系數后向波系數和透射系數可分別表示為

其中，是空氣阻抗，是平板阻抗，α_η＝(α_μ-α_ε)/2，是電磁波在平板內的波矢，α_k＝(α_μ+α_ε)/2。當平板介電常數和磁導率分別取為和時，有α_η＝(α_μ-α_ε)/2＝-0.45π，材料阻抗實部較小，且cosα_η＜＜|sinα_η|，計算結果如附圖1(b)所示。可見，當平板厚度(λ為電磁波在平板中的波長)時，垂直入射電磁波的反射波能流＜S_r＞和透射能流＜S_t＞都顯著增強。

分析電磁波穿過平板時的能量變換過程，可得到平板內電磁波瞬時能流表達式

可見，在平板內電磁波能流可分成三部分和分別對應前向波、后向波和兩波的交叉。根據(5)式，如果亦即cosα_η～0，sinα_η～±1，阻抗實部接近于0，和均小于＜SC＞(見附圖1(b))，交叉項起主導作用，導致平板厚度d接近的奇數倍時，垂直入射電磁波的反射和透射均顯著增強。