MNG傳輸線帶通濾波器設(shè)計(jì)

摘要：為了以更簡單的結(jié)構(gòu)、更少的電路元件實(shí)現(xiàn)更好的左手媒質(zhì)特性，設(shè)計(jì)了一種新型磁負(fù)介質(zhì)傳輸線(MNG)。該傳輸線具有負(fù)的磁導(dǎo)率和正的介電常數(shù)，是對傳統(tǒng)混合左右手(CRLH)傳輸線理論上的擴(kuò)展和設(shè)計(jì)上的改進(jìn)。采用該MNG傳輸線設(shè)計(jì)了一個(gè)切比雪夫帶通濾波器，獲得任意可調(diào)的雙頻帶特性，其仿真和測量結(jié)果吻合很好，驗(yàn)證了MNG傳輸線的設(shè)計(jì)理論。該MNG傳輸線所具有的非線性相位響應(yīng)特性，可以實(shí)現(xiàn)耦合器、濾波器、雙模天線等多種新穎的可調(diào)雙頻帶微波器件的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；左手介質(zhì)；混合左右手傳輸線；磁負(fù)傳輸線濾波器

0 引言
近幾年，一種基于左手介質(zhì)概念的人工混合型材料在固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)等領(lǐng)域引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。這種介質(zhì)在某一頻段表現(xiàn)為負(fù)的等效介電常數(shù)和負(fù)的等效磁導(dǎo)率，在其內(nèi)傳播的電磁波滿足左手螺旋定則，故經(jīng)常被稱為雙負(fù)介質(zhì)(DNG)。它所表現(xiàn)出的特殊電磁特性，如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、相位與能量傳播方向相反、完美透鏡成像、逆多普勒頻移等在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的價(jià)值。
自從T．Itoh，C．Caloz等人提出了混合左右手(Composite Right／Left-Handed，CRLH)介質(zhì)的傳輸線理論，并利用微帶結(jié)構(gòu)制成混合左右手傳輸線后，它的相關(guān)應(yīng)用得到迅速發(fā)展，如緊湊的CRLH混合環(huán)耦合器、任意頻帶巴倫、可調(diào)頻帶CRLH濾波器、雙頻帶圓極化天線等。
對應(yīng)于雙負(fù)介質(zhì)的傳輸線理論，本文提出了磁負(fù)介質(zhì)(Magnetic Negative Media，MNG)的傳輸線理論，并實(shí)現(xiàn)了MNG傳輸線的電路設(shè)計(jì)。這種新型的傳輸線結(jié)構(gòu)，不僅能夠保持CRLH傳輸線的左手特性，如零階諧振特性、非線性的相位響應(yīng)等，還能夠使電路結(jié)構(gòu)得到簡化、損耗更低、設(shè)計(jì)更容易，因此也是CRLH傳輸線的理論擴(kuò)展和有益改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了MNG1／4波長傳輸線諧振器，實(shí)現(xiàn)了任意可調(diào)的雙頻帶特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一款新穎的MNG雙頻帶切比雪夫帶通濾波器，這在現(xiàn)代通信系統(tǒng)等要求更小更緊湊的多頻微波器件方面有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

1 MNG傳輸線理論
CRLH傳輸線的等效電路可以從文獻(xiàn)得知，它由串聯(lián)的右手電感LR、左手電容CL以及并聯(lián)的右手電容CR、左手電感LL組成，低頻時(shí)CL和LL起主導(dǎo)作用，工作于左手區(qū)域，具有負(fù)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ。MNG傳輸線是在CRLH等效電路中去除了左手電感LL，低頻時(shí)具有負(fù)的μ和正的ε，等效電路如圖1所示。

圖1中MNG傳輸線的無窮小電路模型，可滿足條件△zλg／4。其中，為單位長度的電路參數(shù)值，而實(shí)際應(yīng)用中采用LC元件來實(shí)現(xiàn)，，分別表示元器件的電容值和電感值。
單位長度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納分別為：

MNG傳輸線在ωωMNG時(shí)的相位常數(shù)為0，呈現(xiàn)禁帶特性。圖2表示了MNG傳輸線的色散和損耗隨頻率的變化特性及其與右手傳輸線(RH)、CRLH傳輸線的對比。