基于復(fù)合左手傳輸線異向介質(zhì)的微波無(wú)源器件

基于復(fù)合左手傳輸線異向介質(zhì)的微波無(wú)源器件

0異向介質(zhì)的微波無(wú)源器件特性1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家威勒加指出，當(dāng)介質(zhì)中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值時(shí)，max-w方程仍然存在，但電、磁體和波矢將朝著左轉(zhuǎn)向。在這項(xiàng)工作中，威塞拉戈首次提出了異向介質(zhì)的概念，并預(yù)測(cè)了異向介質(zhì)中的許多奇怪現(xiàn)象，如負(fù)折射、板體聚集、后向輻射、后向散射、反散射噪聲和反切開(kāi)科夫輻射。然而，由于當(dāng)時(shí)未發(fā)現(xiàn)這些材料，veselago的工作一直沒(méi)有受到重視。到20世紀(jì)90年代，通過(guò)手動(dòng)方法，我們可以模擬和研究介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)的介質(zhì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，介質(zhì)具有負(fù)折射效應(yīng)，veselago的工作受到了科學(xué)的影響。異向介質(zhì)的存在為磁電理論打開(kāi)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。它的科學(xué)重要性和巨大的應(yīng)用前景對(duì)未來(lái)科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響?？紤]到異向介質(zhì)的重要性，該發(fā)現(xiàn)被《美國(guó)科學(xué)家》雜志2005年的世界先進(jìn)科學(xué)技術(shù)之一。由于至今在自然界尚未發(fā)現(xiàn)異向介質(zhì),因此目前的異向介質(zhì)均由人工利用傳統(tǒng)材料構(gòu)造.1996年和1998年,Pendry先后提出利用細(xì)金屬導(dǎo)線陣列(Rod)構(gòu)造等效負(fù)介電常數(shù)人工結(jié)構(gòu)以及利用開(kāi)路環(huán)諧振器(split-ringresonator,SRR)陣列構(gòu)造等效負(fù)磁導(dǎo)率人工結(jié)構(gòu)的方法,其設(shè)想由Smith等在2000年實(shí)現(xiàn)并證實(shí).在隨后的有關(guān)異向介質(zhì)的研究中,人工構(gòu)造的異向介質(zhì)大體上沿用Pendry的Rod陣列和SRR結(jié)構(gòu).由Rod和SRR結(jié)構(gòu)構(gòu)造的異向介質(zhì)往往表現(xiàn)出高損耗和窄帶特性,這極大地限制了此類(lèi)異向介質(zhì)在微波毫米波領(lǐng)域的應(yīng)用.為此,美國(guó)加州大學(xué)LosAngles分校的Itoh等提出了利用傳輸線實(shí)現(xiàn)異向介質(zhì)的方法.為區(qū)別于傳統(tǒng)傳輸線,稱(chēng)此類(lèi)具有異向介質(zhì)特性的傳輸線為左手傳輸線(lefthandedtransmissionline,LH-TL),稱(chēng)傳統(tǒng)傳輸線為右手傳輸線(righthandedtransmissionline,RH-TL).與由Rod和SRR結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)造的異向介質(zhì)相比,左手傳輸線異向介質(zhì)除具有低損耗和寬帶特性外,還具有體積小、容易制作等優(yōu)點(diǎn).因而,左手傳輸線異向介質(zhì)更適合應(yīng)用于微波毫米波無(wú)源器件.近年來(lái),在國(guó)家自然科學(xué)基金委以及相關(guān)部門(mén)的支持下,我們對(duì)異向介質(zhì)的頻率選擇特性、異向介質(zhì)的漏波特性[11,12,13,14,15,16,17,18]、不連續(xù)異向介質(zhì)的電磁耦合和輻射特性、寬波束微帶天線及其陣列以及利用異向介質(zhì)構(gòu)造的定向耦合器等做了較為深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究.鑒于篇幅所限,本文只在闡明利用微帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的具有異向介質(zhì)特性的復(fù)合左右手傳輸線基礎(chǔ)上,介紹了近幾年來(lái)我們?cè)诜治?、設(shè)計(jì)和研制由該種異向介質(zhì)構(gòu)成的微波無(wú)源器件方面的部分研究成果.研究表明,由于復(fù)合左右手傳輸線的異向介質(zhì)特性,使得這些新穎的無(wú)源器件無(wú)論在插損、尺寸以及性能上都優(yōu)于由傳統(tǒng)傳輸線構(gòu)成的同類(lèi)器件.1復(fù)合中復(fù)合整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及發(fā)展傳輸線是用來(lái)傳播電磁能量的一種手段,與普通電磁能量傳輸介質(zhì)相比,傳輸線具有能量傳輸集中、損耗小等特點(diǎn).傳統(tǒng)的理想無(wú)耗傳輸線,又稱(chēng)右手無(wú)耗傳輸線,由串聯(lián)電感和并聯(lián)電容構(gòu)成,如圖1(a)所示.理論已經(jīng)證明,由SRR陣列構(gòu)造的異向介質(zhì)在電磁能量的傳輸方向上體現(xiàn)為電容特性,而在垂直于傳播方向上表現(xiàn)為電感特性,純粹的無(wú)耗異向介質(zhì)的傳輸線等效電路模型如圖1(b)所示.因而,可以預(yù)測(cè)由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感構(gòu)成的電路必然在一定頻率范圍內(nèi)體現(xiàn)異向介質(zhì)特性,本文稱(chēng)其為無(wú)耗的純粹左手傳輸線.由于左手傳輸線由右手傳輸線構(gòu)成,因而不存在真正意義上的純粹左手傳輸線.特定頻率下的左手傳輸線中仍包含寄生的傳統(tǒng)介質(zhì)特性(右手特性),只是在該頻段內(nèi),異向介質(zhì)特性起主要作用.稱(chēng)由右手傳輸線構(gòu)成的左手傳輸線為復(fù)合左右手傳輸線(compositeright-lefthandedtransmissionline,CRLH-TL).復(fù)合左右手傳輸線在不同的頻段分別體現(xiàn)為異向介質(zhì)或傳統(tǒng)介質(zhì)特性.圖1(c)為復(fù)合左右手傳輸線的等效電路,其中包括表征傳統(tǒng)介質(zhì)特性的并聯(lián)電容CR和串聯(lián)電感LR以及表征異向介質(zhì)特性的串聯(lián)電容CL和并聯(lián)電感LL.根據(jù)傳輸線理論,圖1(c)所示理想無(wú)耗復(fù)合左右手傳輸線的傳輸常數(shù)可以表示為γ=α+jβ=ZY???√(1)γ=α+jβ=ΖY(1)式中,Z=j(ωLR?1ωCL),Y=j(ωCR?1ωLL).Ζ=j(ωLR-1ωCL),Y=j(ωCR-1ωLL).據(jù)此,無(wú)耗復(fù)合左右手傳輸線的色散關(guān)系可表示為β(ω)=s(ω)ω2LRCR+1ω2LLCL?(LRLL+CRCL)??????????????????????????√(2)s(ω)=??????????1,+1,ω<ωΓ1=min(1LRCL√,1LLCR√)ω>ωΓ2=max(1LRCL√,1LLCR√)(3)β(ω)=s(ω)ω2LRCR+1ω2LLCL-(LRLL+CRCL)(2)s(ω)={-1,ω<ωΓ1=min(1LRCL,1LLCR)+1,ω>ωΓ2=max(1LRCL,1LLCR)(3)上式中,如果CL=LL=0,則復(fù)合左右手傳輸線變?yōu)榧冇沂謧鬏斁€;如果CR=LR=0,則復(fù)合左右手傳輸線變?yōu)榧冏笫謧鬏斁€.圖2(a),(b)和(c)給出了純右手傳輸線、純左手傳輸線以及復(fù)合左右手傳輸線的色散特性示意圖.從圖中可以看出,右手傳輸線的色散曲線為線性曲線,位于第一象限;左手傳輸線的色散曲線為非線性曲線,位于第二象限;復(fù)合左右手傳輸線的色散曲線則依據(jù)不同的頻段分別位于第一或第二象限,第一象限部分曲線線性好,而第二象限部分曲線更多地表現(xiàn)為非線性且較為平坦.根據(jù)群速和相速的定義vg=?ω?β,vp=ωβ(4)vg=?ω?β,vp=ωβ(4)不難得出,色散曲線位于第一象限的右手傳輸線中vgvp>0,即群速和相速同向,體現(xiàn)為右手特性;色散曲線位于第二象限的純左手傳輸線中vgvp<0,即群速和相速反向,體現(xiàn)為左手特性;而復(fù)合左右手傳輸線中分別包含右手vgvp>0和左手vgvp<0區(qū)域.理論上,增加CL,LL,同時(shí)減小CR,LR,可以加強(qiáng)復(fù)合左右手傳輸線的異向介質(zhì)特性(即左手特性)、抑止傳統(tǒng)介質(zhì)特性(即右手特性),并展寬左手區(qū)頻帶.2新型復(fù)合茂采線管的結(jié)構(gòu)2.1復(fù)合傳遞結(jié)構(gòu)基于復(fù)合左手傳輸線等效電路,我們提出了多種一維左手傳輸線的新型微帶單元結(jié)構(gòu),受篇幅所限,這里僅介紹其中之一,其結(jié)構(gòu)和色散關(guān)系如圖3所示.相比于文獻(xiàn)的復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將串聯(lián)交指電容的最外側(cè)兩指通孔接地,使得并聯(lián)電感分散均勻,可以減小電路參數(shù)的不連續(xù)性并增加其工作帶寬.該結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單緊湊和單元尺寸小的特點(diǎn).理論分析表明,該結(jié)構(gòu)左手特性頻帶較寬、損耗小.更適合復(fù)合微波毫米波集成電路的應(yīng)用.2.2復(fù)合左道口傳輸線的結(jié)構(gòu)理論上可以通過(guò)增加CL,LL,同時(shí)減小CR,LR來(lái)加強(qiáng)復(fù)合左右手傳輸線的左手特性、抑止右手特性,并展寬左手區(qū)頻帶.但是在增加CL,LL時(shí),往往造成CR,LR也同步增加.為了解決上述矛盾,我們提出了一種雙層左手傳輸線結(jié)構(gòu),如圖4(a),(b)所示.在該結(jié)構(gòu)中,串聯(lián)電容由錯(cuò)開(kāi)的雙層交指電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),并聯(lián)電感由螺旋電感實(shí)現(xiàn).在增大CL,LL時(shí),可以避免CR,LR的同步增加.其結(jié)果是降低了復(fù)合左右手傳輸線中的右手寄生效應(yīng),并展寬左手特性頻帶、降低損耗.圖4(c)給出了上述結(jié)構(gòu)一種設(shè)計(jì)的S參數(shù)頻率響應(yīng).它的左手工作區(qū)從13.5GHz擴(kuò)展到49.5GHz,并且?guī)?nèi)傳輸損耗低于0.3dB,而結(jié)構(gòu)尺寸卻只有0.24mm2.2.3.1微生物結(jié)構(gòu)在一維混合左右手傳輸線的基礎(chǔ)上,提出多種新型的二維左手材料結(jié)構(gòu).其中一種結(jié)構(gòu)如圖5所示,該單元由二維的交指電容和螺旋電感構(gòu)成.理論計(jì)算表明該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)完美透鏡性能,如圖5(b)所示;該完美透鏡左手媒質(zhì)由5×15左手平面單元構(gòu)成.3復(fù)合整體材料特性如前所述,復(fù)合左右手傳輸線表現(xiàn)為相速和群速反向,同時(shí)具有非線性的色散關(guān)系.因而可以利用復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)新型微波無(wú)源器件.下面結(jié)合復(fù)合左右手傳輸線的異向介質(zhì)特征,介紹幾種利用復(fù)合左右手傳輸線異向介質(zhì)研制的微波無(wú)源器件.3.1復(fù)合左、右傳輸線的特殊設(shè)計(jì)由于純左手傳輸線的相速和群速反向,因此純粹左手傳輸線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)右手傳輸線傳播時(shí)電磁波所造成相位滯后的補(bǔ)償.經(jīng)過(guò)對(duì)具有左、右手傳輸線特征的復(fù)合左右手傳輸線的特殊設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)一段頻率范圍內(nèi)的無(wú)相差功分,以此構(gòu)造新型功分器以及天線陣列的串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò).3.1.1復(fù)合瞳主動(dòng)器設(shè)計(jì)平衡-不平衡功分器是振子天線中常用的功分器,又稱(chēng)為巴倫,其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的一分二等幅反相功分.利用復(fù)合左右手傳輸線可以使平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單.圖6(a)是我們利用復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)的平衡-不平衡功分器的結(jié)構(gòu)圖,圖6(b)為實(shí)物圖.工作頻率為2.4GHz,尺寸20×18mm2.3.1.2復(fù)合整體饋電方式天線陣列的饋電有串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種方式.并聯(lián)饋電方式可以在很寬的頻段內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元的等幅同相饋電,其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸和插損大.傳統(tǒng)串聯(lián)饋電方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸和插損小,缺點(diǎn)是難以保證在一段頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線單元的等幅同相饋電.依據(jù)復(fù)合左右手傳輸線的色散特征,我們提出一種新型復(fù)合左右手傳輸線串聯(lián)饋電方式.通過(guò)選擇復(fù)合左右手傳輸線的結(jié)構(gòu)尺寸,控制天線單元間的相位差,實(shí)現(xiàn)波束一定角度的偏移或零偏移.該饋電系統(tǒng)同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插損小的特點(diǎn),可以提高天線陣列的增益.圖7(a)是復(fù)合左右手串聯(lián)饋電8×1單元微帶天線陣列實(shí)物圖,其工作中心頻率為3GHz.圖7(b)是不同工作頻率下的輻射方向圖的測(cè)試結(jié)果.從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,采用復(fù)合左右手傳輸線饋電系統(tǒng)避免了天線波束的偏移.圖8(a)是由復(fù)合左右手傳輸線構(gòu)成的平面4×4微帶陣列串并聯(lián)饋電系統(tǒng).該饋電系統(tǒng)也同樣實(shí)現(xiàn)了天線陣列的零相位偏移.圖8(b)和(c)是利用串并聯(lián)復(fù)合左右手傳輸線饋電系統(tǒng)饋電的4×4微帶陣列輻射方向圖以及利用傳統(tǒng)右手串聯(lián)饋電系統(tǒng)和并聯(lián)饋電系統(tǒng)饋電的4×4微帶陣列輻射方向圖的比較.從圖8(b)可見(jiàn),利用傳統(tǒng)右手串聯(lián)饋電系統(tǒng)饋電的4×4微帶陣列輻射方向有偏移,且增益較低;而傳統(tǒng)并聯(lián)饋電系統(tǒng)饋電的4×4微帶陣列輻射增益也較小.目前,我們已將復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到雙極化微帶天線陣列中.3.1.3單一波長(zhǎng)匹配及指數(shù)漸變匹配技術(shù)上述復(fù)合左右手傳輸線串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)不能保證天線陣列各單元天線的饋電幅度分布,同時(shí)也難以在較寬的頻段內(nèi)保證對(duì)單元天線的等相饋電.據(jù)此,我們提出了寬帶等幅同相天線陣列串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).該饋電網(wǎng)絡(luò)在利用復(fù)合左右手傳輸線進(jìn)行相位調(diào)節(jié)時(shí),對(duì)復(fù)合左右手傳輸線的位置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步調(diào)整,以達(dá)到在一定頻帶內(nèi)的相位補(bǔ)償;另外,在饋電網(wǎng)絡(luò)中利用三端口功分技術(shù),實(shí)現(xiàn)各端口的幅度均勻分布;最后,在各輸出端口綜合單枝節(jié)匹配、四分之一波長(zhǎng)匹配以及指數(shù)漸變匹配技術(shù)以實(shí)現(xiàn)各端口的良好匹配.(Ⅰ)實(shí)現(xiàn)寬帶等幅分布為了實(shí)現(xiàn)一段頻率范圍內(nèi)的等幅饋電,分別設(shè)計(jì)出1∶N,…,1∶2,1∶1的三端口功分網(wǎng)絡(luò).其中,當(dāng)N較小(N<7)時(shí),可直接采用三端口功分、單枝節(jié)匹配和1/4波長(zhǎng)阻抗變換實(shí)現(xiàn)1∶N的功分及端口匹配;當(dāng)N較大時(shí),需要采用指數(shù)漸進(jìn)和1/4波長(zhǎng)阻抗變換實(shí)現(xiàn)端口匹配.圖9為1×10串聯(lián)等幅饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.(Ⅱ)實(shí)現(xiàn)寬帶等相分布復(fù)合左右手傳輸線非線性的色散特性,使得復(fù)合左右手傳輸線相位常數(shù)大于右手傳輸線,即βLH>βRH,因此在一段頻帶內(nèi)、相同長(zhǎng)度下,復(fù)合左右手傳輸線可以比傳統(tǒng)右手傳輸線實(shí)現(xiàn)更大的相位變化.圖10給出了相同長(zhǎng)度復(fù)合左右手傳輸線和右手傳輸線的相位隨頻率變化情況.由圖10可見(jiàn),在8.8～9.6GHz頻帶內(nèi),相同長(zhǎng)度的復(fù)合左右手傳輸線可以比傳統(tǒng)右手傳輸線實(shí)現(xiàn)更大的相位變化.(Ⅲ)利用復(fù)合左右手傳輸線實(shí)現(xiàn)1×20等幅同相串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)圖11為1×20等幅同相復(fù)合左右手串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖以及測(cè)試結(jié)果圖,該網(wǎng)絡(luò)可以在8.8～9.6GHz頻帶內(nèi),對(duì)1×20的天線陣實(shí)現(xiàn)幅度起伏約±1dB、相位起伏約±5°的饋電.進(jìn)一步研究表明,該結(jié)構(gòu)在各輸出端口實(shí)現(xiàn)等幅同相饋電的同時(shí),在加載了復(fù)合左右手傳輸線的相鄰輸出端口之間可以實(shí)現(xiàn)-15dB的隔離度,這就為進(jìn)一步利用復(fù)合左右手傳輸線實(shí)現(xiàn)多路功分提供了技術(shù)基礎(chǔ).3.2基于pan開(kāi)關(guān)管的高功率移相器設(shè)計(jì)圖2(c)同時(shí)表明,相比于傳統(tǒng)右手傳輸線,復(fù)合左右手傳輸線的色散特性在左手區(qū)域是非線性且較為平坦,使得工作在左手區(qū)的復(fù)合左右手傳輸線在設(shè)計(jì)寬帶移相器時(shí)具有優(yōu)勢(shì).另外,電磁能量通過(guò)復(fù)合左右手傳輸線中的交指結(jié)構(gòu)耦合傳輸,由于交指數(shù)目較多,因而通過(guò)單根交指的電磁能量較小.將PIN開(kāi)關(guān)管安裝在復(fù)合左右手傳輸線單根交指上,就可以通過(guò)PIN開(kāi)關(guān)管對(duì)較小能量的控制實(shí)現(xiàn)相位控制,這為高功率移相器的設(shè)計(jì)提供了新的思路.圖12是移相量為11.25°的復(fù)合左右手傳輸線高功率移相器在PIN開(kāi)關(guān)管閉合和斷開(kāi)時(shí)的電流強(qiáng)度分布,不同的灰度等級(jí)代表不同的電流強(qiáng)度;電流強(qiáng)度越強(qiáng),灰度越深.圖中箭頭所示為開(kāi)關(guān)的位置.從中可以計(jì)算出流經(jīng)PIN開(kāi)關(guān)管的電流只有流經(jīng)整個(gè)復(fù)合左右手傳輸線電流的1/10.因此,如果開(kāi)關(guān)的功率容量為5W,則整個(gè)移相器的功率容量可達(dá)50W.圖13為12～14GHz波段的11.25°的復(fù)合左右手傳輸線高功率移相器的實(shí)物圖和相移量測(cè)試結(jié)果以及PIN開(kāi)關(guān)管閉合和斷開(kāi)狀態(tài)下S參數(shù)的比較.從圖13的結(jié)果來(lái)看,實(shí)測(cè)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果吻合得較好,且在設(shè)計(jì)的頻段12～14GHz內(nèi),移相相位平坦度也較好.另外,該移相器體積很小,非常適用于航天領(lǐng)域.3.3在對(duì)復(fù)合茂換線濾波器的研究中3.3.1耦合復(fù)合分析帶通的耦合微帶線濾波器,通過(guò)將多級(jí)長(zhǎng)度約為四分之一導(dǎo)波波長(zhǎng)的耦合微帶線單元級(jí)聯(lián)而成,面積較大.我們將復(fù)合左右手傳輸線應(yīng)用到耦合微帶線濾波器的設(shè)計(jì)中.通過(guò)合理選擇電路模型參數(shù),獲得了寬帶的帶通電路.圖14是一種由左右手復(fù)合傳輸線構(gòu)成的耦合復(fù)合左右手傳輸線濾波器,濾波器中心頻率為2.8GHz,通帶寬度2.9GHz(1.4～4.3GHz),相對(duì)帶寬103.57%,尺寸18×16mm2.3.3.2t型復(fù)合公所網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)雖然耦合復(fù)合左右手傳輸線濾波器具有體積小、插損小等優(yōu)點(diǎn),但是其帶寬較窄.為了適應(yīng)日益發(fā)展的移動(dòng)通信需要,我們對(duì)復(fù)合左右手傳輸線進(jìn)行了較為細(xì)致的理論分析,以下分別給出了π型和T型結(jié)構(gòu)復(fù)合左右手傳輸線的散射系數(shù)表達(dá)式,并對(duì)其傳輸性能進(jìn)行分析.(Ⅰ)π型結(jié)構(gòu)單元圖15(a)和(b)給出了π型復(fù)合左右手傳輸線單元的結(jié)構(gòu)示意圖和加載負(fù)載阻抗的等效電路.其中,圖15(b)的散射系數(shù)S11是ω的函數(shù),其表達(dá)式為S11=j[(1?ω2L2C2Z0ωC2)+2Z0(1?ω2L1C1ωL1)?Z0(1?ω2L1C1ωL1)2(1?ω2L2C2ωC2)]2[1?(1?ω2L1C1ωL1)(1?ω2L2C2ωC2)]+j[(1?ω2L2C2Z0ωC2)?2Z0(1?ω2L1C1ωL1)+Z0(1?ω2L1C1ωL1)2(1?ω2L2C2ωC2)](5)S11=j[(1-ω2L2C2Ζ0ωC2)+2Ζ0(1-ω2L1C1ωL1)-Ζ0(1-ω2L1C1ωL1)2(1-ω2L2C2ωC2)]2[1-(1-ω2L1C1ωL1)(1-ω2L2C2ωC2)]+j[(1-ω2L2C2Ζ0ωC2)-2Ζ0(1-ω2L1C1ωL1)+Ζ0(1-ω2L1C1ωL1)2(1-ω2L2C2ωC2)](5)由式(5)可以看出,反射系數(shù)S11是一個(gè)關(guān)于ω的多項(xiàng)式,具有多個(gè)零點(diǎn),這些零點(diǎn)導(dǎo)致了帶外特性的極大改善.(Ⅱ)T型結(jié)構(gòu)單元T-CRLH-TL的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖16所示.圖16(b)的散射系數(shù)S11的表達(dá)式為S11=[2(1?ω2L1C1ωC1)?(1?ω2L1C1ωC1)2(1?ω2L2C2ωL2)]/Z0?(1?ω2L2C2ωL1)Z02j[1?(1?ω2L1C1ωC1)(1?ω2L2C2ωL2)]?(1?ω2L1C1ωC1)2(1?ω2L2C2ωL2)/Z0+(1?ω2L2C2ωL2)Z0(6)S11=[2(1-ω2L1C1ωC1)-(1-ω2L1C1ωC1)2(1-ω2L2C2ωL2)]/Ζ0-(1-ω2L2C2ωL1)Ζ02j[1-(1-ω2L1C1ωC1)(1-ω2L2C2ωL2)]-(1-ω2L1C1ωC1)2(1-ω2L2C2ωL2)/Ζ0+(1-ω2L2C2ωL2)Ζ0(6)式(6)表明,T型左手結(jié)構(gòu)單元的S11也是ω的函數(shù),同樣具有多個(gè)零點(diǎn).由于π型和T型復(fù)合左右手傳輸線的傳輸函數(shù)具有多極點(diǎn),使得其通帶內(nèi)存在多個(gè)波紋,擴(kuò)大了通帶寬度,這是傳統(tǒng)右手傳輸線所不具備的.因而,π型和T型復(fù)合左右手傳輸線具有研制寬帶帶通濾波器的天然優(yōu)勢(shì).進(jìn)一步的研究表明,T型復(fù)合左右手傳輸線更適合應(yīng)用于帶寬較窄的帶通濾波器中;而π型復(fù)合左右手傳輸線則更適合應(yīng)用于大寬帶的帶通濾波器中.特別地,通過(guò)改變電路中串聯(lián)電感電容和并聯(lián)電容電感,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器帶寬的控制.在圖17中,虛線表示增大串聯(lián)電感、并聯(lián)電容同時(shí)減小串聯(lián)電容、并聯(lián)電感后的響應(yīng).由圖17可以發(fā)現(xiàn),變化后濾波性能的3dB帶寬變窄.圖18是利用π型復(fù)合左右手傳輸線研制的超寬帶濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖以及實(shí)測(cè)S參數(shù)響應(yīng).我們采用了兩級(jí)非對(duì)稱(chēng)單元級(jí)聯(lián),避免了諧波振蕩點(diǎn)重合,級(jí)聯(lián)后止帶的特性得到了改善.從圖18(c)中可以看到,π型復(fù)合左右手傳輸線超寬帶濾波器很好地滿足了國(guó)際無(wú)線電聯(lián)盟定義的超寬帶濾波器的指標(biāo)要求.π型復(fù)合左右手傳輸線超寬帶濾波器的其他優(yōu)點(diǎn)包括:體積小、重量輕、插損小等.3.4研究結(jié)果與分析由于復(fù)合左右手延遲線的非線性色散特性以及具有可調(diào)節(jié)的等效電抗,使其傳輸相位-頻率響應(yīng)斜率在某些頻段遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)傳輸線,因而復(fù)合左右手延遲線具有研制大延時(shí)的優(yōu)勢(shì).由圖19(a),(b)為X波段左手延時(shí)線的散射參數(shù)以及相位響應(yīng).從中可以看到,左手延遲線在保證小駐波比的前提下,相位響應(yīng)線性度好,相位-頻率曲線斜率相比右手相應(yīng)曲線陡峭的多,這保證了左手延遲線的高延時(shí)效率.表1列出了不同頻段、相同長(zhǎng)度下,利用復(fù)合左右手傳輸線設(shè)計(jì)的延時(shí)線和利用傳統(tǒng)微帶線設(shè)計(jì)的延時(shí)線比較.從結(jié)果來(lái)看,相同長(zhǎng)度下,左手延時(shí)線的延時(shí)效率遠(yuǎn)大于右手延時(shí)線.圖20為X波段左手延時(shí)線實(shí)物圖以及理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì).目前,我們利用混合左右手傳輸線研制了“5位延時(shí)線模塊”、“9位延時(shí)線模塊”.圖21為我們?cè)O(shè)計(jì)的5位及9位復(fù)合左右手延時(shí)模塊實(shí)物圖.3.5復(fù)合左相線天線的結(jié)構(gòu)參數(shù),利用現(xiàn)代信息技術(shù)能微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上貼加導(dǎo)體薄片而形成的天線,典型的微帶天線的長(zhǎng)度約為半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng).左手微帶天線由混合左右手傳輸線來(lái)構(gòu)建,由于混合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)具有多處不連續(xù),形成了一個(gè)多元的等效輻射