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，是對傳統混合左右手(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外學術界的廣泛關注。這種介質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足左手螺旋定則，故經常被稱為雙負介質(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展，如緊湊的CRLH混合環耦合器、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，這在現代通信系統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，它由串聯的右手電感LR、左手電容CL以及并聯的右手電容CR、左手電感LL組成，低頻時CL和LL起主導作用，工作于左手區域，具有負的介電常數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值，而實際應用中采用LC元件來實現，，分別表示元器件的電容值和電感值。
單位長度的串聯阻抗和并聯導納分別為：

MNG傳輸線在ωωMNG時的相位常數為0，呈現禁帶特性。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。