MNG傳輸線帶通濾波器設計

摘要：為了以更簡單的結構、更少的電路元件實現(xiàn)更好的左手媒質特性，設計了一種新型磁負介質傳輸線(MNG)。該傳輸線具有負的磁導率和正的介電常數(shù)，是對傳統(tǒng)混合左右手(CRLH)傳輸線理論上的擴展和設計上的改進。采用該MNG傳輸線設計了一個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傳輸線的設計理論。該MNG傳輸線所具有的非線性相位響應特性，可以實現(xiàn)耦合器、濾波器、雙模天線等多種新穎的可調雙頻帶微波器件的設計。
關鍵詞：微波技術；左手介質；混合左右手傳輸線；磁負傳輸線濾波器

0 引言
近幾年，一種基于左手介質概念的人工混合型材料在固體物理、材料科學、光學和應用電磁學等領域引起了國內(nèi)外學術界的廣泛關注。這種介質在某一頻段表現(xiàn)為負的等效介電常數(shù)和負的等效磁導率，在其內(nèi)傳播的電磁波滿足左手螺旋定則，故經(jīng)常被稱為雙負介質(DNG)。它所表現(xiàn)出的特殊電磁特性，如負介電常數(shù)、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際應用中具有重要的價值。
自從T．Itoh，C．Caloz等人提出了混合左右手(Composite Right／Left-Handed，CRLH)介質的傳輸線理論，并利用微帶結構制成混合左右手傳輸線后，它的相關應用得到迅速發(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、雙頻帶圓極化天線等。
對應于雙負介質的傳輸線理論，本文提出了磁負介質(Magnetic Negative Media，MNG)的傳輸線理論，并實現(xiàn)了MNG傳輸線的電路設計。這種新型的傳輸線結構，不僅能夠保持CRLH傳輸線的左手特性，如零階諧振特性、非線性的相位響應等，還能夠使電路結構得到簡化、損耗更低、設計更容易，因此也是CRLH傳輸線的理論擴展和有益改進。在此基礎上，設計了MNG1／4波長傳輸線諧振器，實現(xiàn)了任意可調的雙頻帶特性，進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(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際的應用價值。

1 MNG傳輸線理論
CRLH傳輸線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CL和LL起主導作用，工作于左手區(qū)域，具有負的介電常數(shù)ε和磁導率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，而實際應用中采用LC元件來實現(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)導納分別為：

MNG傳輸線在ωωMNG時的相位常數(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。