谐振式左手传输线结构及其应用研究

【摘要】： 左手材料是一种介电常数与磁导率同时为负的人工合成材料。自2000年被成功制造出后,左手材料迅速成为物理学与电磁学领域的研究前沿与热点。目前实现左手材料已有多种方法,其中平面复合左右手传输线结构在平面微波电路及元器件设计中展现出巨大的潜力。本文主要分析了基于开环谐振器(SRR)的共面波导型与基于逆开环谐振器(CSRR)的微带线型谐振式复合左右手传输线结构的传输特性及其在微波元器件设计中的应用,论文创新及有价值的工作主要有以下几个方面: 1.介绍了基于CSRR的谐振式平衡复合左右手传输线结构及其等效电路模型,分析了电路模型中各参数的变化对其传输特性的影响。提出将CSRR的形状作为一个调整因素对该传输线结构的传输特性进行微调。为此设计了三种基于不同矩形CSRR的谐振式平衡复合左右手传输线结构,三种结构具有相同的过渡频率以方便比较。通过仿真模拟、实物测试及等效电路参数的提取,证明该方法的有效性和正确性。分析过程及结论对采用其他调节方法调节谐振式平衡复合左右手传输线结构的传输特性也有指导意义,而且该工作拓宽了CSRR在微波电路中的应用范围。 2.首次提出了基于SRR的共面波导谐振式平衡复合左右手传输线结构。首先从等效电路模型上阐述了实现基于SRR的共面波导谐振式平衡复合左右手传输线结构的方法。为进一步证明其有效性,设计并加工了过渡频率为3.28GHz的共面波导谐振式平衡复合左右手传输线结构。仿真结果、测试结果与理论分析吻合很好,证明了该传输线结构的平衡复合左右手传输特性。随后,利用该结构设计出超宽带共面波导带通滤波器,带宽超过90%。仿真结果与测试结果表明其通带指标与阻带指标较好,且该共面波导超宽带带通滤波器的尺寸很小。 3.提出了采用谐振式复合左右手传输线结构设计任意双频微波器件的方法。谐振式复合左右手传输线可以在左手通带与右手通带内分别产生非线性的负相移与正相移,且相移与特性阻抗均可调。利用这样的传输特性,将谐振式复合左右手传输线代替传统的传输线,可以设计出任意双频微波器件。为证明该方法的有效性与正确性,分别设计了双频开路分支线、双频Wilkinson功率分配器、双频分支线耦合器。双频开路分支线的工作频率设计在1GHz与2GHz;双频Wilkinson功率分配器的工作频率设计在1.2GHz与2.6GHz ;双频分支线耦合器的工作频率设计在900MHz与1800MHz。仿真结果、测试结果与理论分析吻合很好,两个工作频段上的性能指标都较好,证明了该方法的有效性和正确性。由于不需要任何集总参数元件与接地通孔,因此工作频率不受限制,而且制作方便。 4.设计了基于谐振式平衡复合左右手传输线结构的新型小型化环行电桥。在该小型化环行电桥中,传统的270分支线被谐振式平衡复合左右手传输线所代替,其在设计频率上可以提供?9 0的相移。?9 0相移等效于270相移。由于谐振式平衡复合左右手传输线的长度比传统的270分支线小,因此该环行电桥相比于传统的环行电桥可以减小60%的面积,而且在工作频段内可以很好地工作在同相模式与反相模式下。 5.提出采用CSRR实现微带天线谐波抑制的方法。CSRR被刻蚀在微带天线馈线下的接地板上,阻带对应微带天线的谐波频率。由于CSRR在其谐振频率周围可以产生负介电常数效应,将阻止谐波功率的传输,而工作频率的功率传输不受影响,因此微带天线的谐波被有效抑制,而性能指标不受影响。仿真结果与实测结果证明了该方法的有效性与正确性。