MNG傳輸線(xiàn)帶通濾波器設計

摘要：為了以更簡(jiǎn)單的結構、更少的電路元件實(shí)現更好的左手媒質(zhì)特性，設計了一種新型磁負介質(zhì)傳輸線(xiàn)(MNG)。該傳輸線(xiàn)具有負的磁導率和正的介電常數，是對傳統混合左右手(CRLH)傳輸線(xiàn)理論上的擴展和設計上的改進(jìn)。采用該MNG傳輸線(xiàn)設計了一個(gè)切比雪夫帶通濾波器，獲得任意可調的雙頻帶特性，其仿真和測量結果吻合很好，驗證了MNG傳輸線(xiàn)的設計理論。該MNG傳輸線(xiàn)所具有的非線(xiàn)性相位響應特性，可以實(shí)現耦合器、濾波器、雙模天線(xiàn)等多種新穎的可調雙頻帶微波器件的設計。
關(guān)鍵詞：微波技術(shù)；左手介質(zhì)；混合左右手傳輸線(xiàn)；磁負傳輸線(xiàn)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)和應用電磁學(xué)等領(lǐng)域引起了國內外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。這種介質(zhì)在某一頻段表現為負的等效介電常數和負的等效磁導率，在其內傳播的電磁波滿(mǎn)足左手螺旋定則，故經(jīng)常被稱(chēng)為雙負介質(zhì)(DNG)。它所表現出的特殊電磁特性，如負介電常數、負磁導率、負折射率、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(xiàn)理論，并利用微帶結構制成混合左右手傳輸線(xiàn)后，它的相關(guān)應用得到迅速發(fā)展，如緊湊的CRLH混合環(huán)耦合器、任意頻帶巴倫、可調頻帶CRLH濾波器、雙頻帶圓極化天線(xiàn)等。
對應于雙負介質(zhì)的傳輸線(xiàn)理論，本文提出了磁負介質(zhì)(Magnetic Negative Media，MNG)的傳輸線(xiàn)理論，并實(shí)現了MNG傳輸線(xiàn)的電路設計。這種新型的傳輸線(xiàn)結構，不僅能夠保持CRLH傳輸線(xiàn)的左手特性，如零階諧振特性、非線(xiàn)性的相位響應等，還能夠使電路結構得到簡(jiǎn)化、損耗更低、設計更容易，因此也是CRLH傳輸線(xiàn)的理論擴展和有益改進(jìn)。在此基礎上，設計了MNG1／4波長(cháng)傳輸線(xiàn)諧振器，實(shí)現了任意可調的雙頻帶特性，進(jìn)而設計了一款新穎的MNG雙頻帶切比雪夫帶通濾波器，這在現代通信系統等要求更小更緊湊的多頻微波器件方面有實(shí)際的應用價(jià)值。

1 MNG傳輸線(xiàn)理論
CRLH傳輸線(xiàn)的等效電路可以從文獻得知，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起主導作用，工作于左手區域，具有負的介電常數ε和磁導率μ。MNG傳輸線(xiàn)是在CRLH等效電路中去除了左手電感LL，低頻時(shí)具有負的μ和正的ε，等效電路如圖1所示。

圖1中MNG傳輸線(xiàn)的無(wú)窮小電路模型，可滿(mǎn)足條件△zλg／4。其中，為單位長(cháng)度的電路參數值，而實(shí)際應用中采用LC元件來(lái)實(shí)現，，分別表示元器件的電容值和電感值。
單位長(cháng)度的串聯(lián)阻抗和并聯(lián)導納分別為：

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