本發(fā)明屬于電磁超材料和微波技術(shù)領(lǐng)域，一種基于阻抗實(shí)部近零有源電磁超材料的微波放大器。

背景技術(shù)：

常用的微波放大設(shè)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(duì)微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)的微波信號(hào)，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(jī)的輸入端，放大接收機(jī)的噪聲電平，直接決定接收機(jī)所能夠接收的最低信號(hào)電平，對(duì)提高接收機(jī)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(shí)現(xiàn)放大，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信等領(lǐng)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(tài)粒子布居數(shù)反轉(zhuǎn)的原子(或分子、離子等)系統(tǒng)受微波輻射場激勵(lì)時(shí)，受激態(tài)原子齊同作共振發(fā)射躍遷，產(chǎn)生放大的微波。激射放大器因噪聲低，可用作射電望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)系統(tǒng)接收機(jī)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(xiàn)了新穎的電磁特性和廣泛的應(yīng)用前景，激發(fā)人們深入而系統(tǒng)地探討具有獨(dú)特電磁參量的材料的電磁特性和可能應(yīng)用。研究表明，阻抗實(shí)部近零材料，作為具有獨(dú)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(shí)部為零材料中平均能流密度為零、垂直射入阻抗實(shí)部近零平板電磁波的反射和透射均可被顯著增強(qiáng)等，有望在光停留、微波放大等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于采用阻抗實(shí)部近零有源電磁超材料獨(dú)特的電磁特性，提供一種基于新的電磁波增強(qiáng)機(jī)制、實(shí)現(xiàn)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(shù)磁導(dǎo)率平板的情形，反射系數(shù)平板內(nèi)前向波系數(shù)后向波系數(shù)和透射系數(shù)可分別表示為

其中，是空氣阻抗，是平板阻抗，αη＝(αμ-αε)/2，是電磁波在平板內(nèi)的波矢，αk＝(αμ+αε)/2。當(dāng)平板介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別取為和時(shí)，有αη＝(αμ-αε)/2＝-0.45π，材料阻抗實(shí)部較小，且cosαη＜＜|sinαη|，計(jì)算結(jié)果如附圖1(b)所示?？梢?，當(dāng)平板厚度(λ為電磁波在平板中的波長)時(shí)，垂直入射電磁波的反射波能流＜sr＞和透射能流＜st＞都顯著增強(qiáng)。

分析電磁波穿過平板時(shí)的能量變換過程，可得到平板內(nèi)電磁波瞬時(shí)能流表達(dá)式

可見，在平板內(nèi)電磁波能流可分成三部分和分別對(duì)應(yīng)前向波、后向波和兩波的交叉。根據(jù)(5)式，如果亦即cosαη～0，sinαη～±1，阻抗實(shí)部接近于0，和均小于＜sc＞(見附圖1(b))，交叉項(xiàng)起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致平板厚度d接近的奇數(shù)倍時(shí)，垂直入射電磁波的反射和透射均顯著增強(qiáng)。

另一方面，左手傳輸線、有源左手傳輸線具有有效電磁參量易于調(diào)控等特征，在電磁超材料的基本理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都十分引入關(guān)注。對(duì)以附圖2(a)所示的單元結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建的二維傳輸線(見附圖2(b))，當(dāng)單元結(jié)構(gòu)尺寸δd遠(yuǎn)小于電磁波波長時(shí)，二維傳輸線的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率可表為：

顯然，通過選擇、調(diào)節(jié)電感、電容和電阻值，可調(diào)控有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率，獲得阻抗實(shí)部接近于零的二維傳輸線。

基于上述內(nèi)容，本發(fā)明采用二維傳輸線構(gòu)建阻抗實(shí)部近零的有源電磁超材料，實(shí)現(xiàn)微波放大。器件主要分為輸入、放大和輸出三部分，如附圖3所示。為使信號(hào)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(gòu)成。偏振片2a的偏振取向垂直于附圖2(b)所示的二維傳輸線平面，線偏振微波穿過旋磁鐵氧體1b的單程旋轉(zhuǎn)角為45度。放大部分采用集總元件的二維傳輸線(見附圖2(b))上下疊合而成。二維傳輸線結(jié)構(gòu)單元如附圖2(a)所示，兩類電阻元件r和g之一采用微分電阻為負(fù)的二極管，使得傳輸線阻抗實(shí)部趨近于零。放大部分有效長度取為四分之一中心波長的奇數(shù)倍，顯著放大反射波和透射波。輸出部分采用偏振片3a和旋磁鐵氧體2b組合而成。偏振片3a的偏振取向與偏振片2a一致，線偏振微波穿過旋磁鐵氧體2b的單程旋轉(zhuǎn)角為45度，以隔離透射波的可能回波。

附圖說明

圖1(a)電磁波垂直射入平板示意圖，(b)平板的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別取為和反射波、透射波、交叉項(xiàng)、前向波和后向波平均能流＜sr＞＜st＞＜sc＞＜s+＞＜s-＞隨平板厚度d變化的曲線。

圖2(a)二維傳輸線的結(jié)構(gòu)單元，(b)構(gòu)建阻抗實(shí)部近零有源電磁超材料的二維傳輸線示意圖。

圖3本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4放大部分結(jié)構(gòu)單元尺寸取為δd＝10mm，所用的電感、電容和電阻器參數(shù)取為lr＝1.0nh,cr＝1.0ph,ll≈26.4nh,cl≈25.5pf,r＝-10²ω,g＝10^-3s時(shí)，(a)入射波頻率為1ghz時(shí)，透射波平均能流(tapv)隨放大器件長度變化的曲線。分別給定平板厚度(b)d＝49.5mm和(c)d＝46.5mm，透射波平均能流隨頻率變化的曲線。

具體實(shí)施方式

首先，根據(jù)待放大信號(hào)的頻率、波長特征，選取附圖2(a)所示的二維傳輸線結(jié)構(gòu)單元的尺寸δd，以及電感器lr,ll、電容器cr,cl和電阻器r,g的值。在此基礎(chǔ)上，制作附圖2(b)所示的二維傳輸線，再上下疊合二維傳輸線，構(gòu)建平板狀的阻抗實(shí)部接近于零的三維有源電磁超材料。根據(jù)待放大信號(hào)在該電磁超材料中的波長λ，給定放大部分的有效長度

接著，選擇合適的微波偏振片和旋磁鐵氧體(要求線偏振微波穿過旋磁鐵氧體的單程旋轉(zhuǎn)角為45度)。按照附圖3，在放大部分的左側(cè)依次排放偏振片2a、旋磁鐵氧體1b和偏振片1a，偏振片2a的偏振取向垂直于附圖1(b)所示的二維傳輸線平面，偏振片1a的偏振取向與偏振片2a成45度角。在放大部分的右側(cè)依次排放偏振片3a和旋磁鐵氧體2b，偏振片3a的偏振取向與偏振片2a一致。

實(shí)施例：待放大信號(hào)的頻率約為1ghz，附圖2(a)所示的二維傳輸線結(jié)構(gòu)單元尺寸取為δd＝10mm，所用的電感器、電容器和電阻器參數(shù)取為lr＝1.0nh,cr＝1.0ph,r＝-10²ω,g＝10^-3s。在此基礎(chǔ)上，制作附圖2(b)所示的二維傳輸線，再上下疊合二維傳輸線，構(gòu)建阻抗實(shí)部接近于零的平板狀三維有源電磁超材料?？汕蟮?，當(dāng)頻率為1ghz時(shí)，該傳輸線的有效介電常數(shù)有效磁導(dǎo)率頻率為1ghz微波信號(hào)在該電磁超材料中的波長λ＝176mm。進(jìn)一步，選擇金屬柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)制作微波偏振片、旋磁鐵氧體(滿足線偏振微波穿過旋磁鐵氧體的單程旋轉(zhuǎn)角為45度的要求)，按照附圖3組裝。考慮到微波偏振片與旋磁鐵氧體材料的阻抗不一，且有較大的調(diào)控范圍，為方便，設(shè)微波偏振片與旋磁鐵氧體材料的阻抗均為377歐。根據(jù)前述參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如附圖4所示，由附圖4(a)可見當(dāng)放大部分長度在d＝49.5mm(接近)，頻率為1ghz的微波透射能流放大倍數(shù)最大。放大部分有效長度取為d＝49.5mm，由附圖4(b)，該器件可顯著放大0.98ghz頻率附近范圍的微波。放大部分有效長度變?yōu)閐＝46.5mm，附圖4(c)表明0.98ghz頻率附近范圍的微波被放大，頻寬增加，但放大倍數(shù)顯著減小。