摘要：左手材料是物理学和电磁学领域的一个新兴的研究热点，在各种人工合成的左手材料中，平面复合左右手传输线结构以其优良的微波性能获得了广泛关注，并在各类微波器件和电路中获得了广泛的应用。本文在理论分析的基础上，提出了在任意介质基片上实现平面复合左手传输线的优化设计方法，采用0.508mm厚的5880介质片进行了设计验证，并进一步研制了中心频率2.6GHz，带宽30%的直接耦合器，最大耦合度达到了2.3dB，与传统耦合器相比，该结构滤波器具有带宽更宽、耦合度更高等特点。
关键词：左手材料 平面复合左右手传输线 宽带直接耦合器
中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)07-0188-02
1、引言
左手材料是物理学和电磁学领域的一个新兴的研究热点，负的介电常数和负的磁导率决定了左手材料具有许多异于通常媒质的特殊性质，如后向波传输、负折射、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射、平板聚焦、超棱镜等，这些特殊的性质使得左手材料在微波、毫米波及光波领域都有着广泛的应用价值。
随着理论研究的深入和应用技术的发展，一些基于复合左右手传输线的器件被成功的应用于电路与系统当中，并起到了传统器件无法替代的作用，例如K.Murase和R.Ishikawa等人研制的群时延均衡MMIC放大器中就采用了复合左右手传输线实现了宽带的群时延均衡[1]；Samer Abielmona等人也成功的将这种色散延时特性应用于处理模拟信号的压缩接收机中来提高带宽和设计的灵活性[2]；Seung Hun Ji等人将复合左右手传输线应用于功放电路中抑制二次谐波从而提高线性度[3]。因此，复合左右手传输线十分具有研究价值和应用前景。
2、复合左右手传输线
复合左右手传输线是构成各新型器件的基础，文献[4][5]等均给出了从物理结构到等效电路参数的分析方法，但如何在不同介质基片上设计实现复合左右手传输线则少有研究，根据理论分析，把整个复合左右手传输线等效为理想的带通滤波器进行优化设计，可以方便的获得所需要的物理结构。
图1（a）为复合左右手传输线的等效电路图，其中为右手级联电感，为右手并联电容，为左手串联电容，为左手并联电感。
当、、、满足关系式时，称为平衡情况，相反地当该关系式不满足时，称为不平衡情况。平衡情况的等效电路可由图1（a）转化为图1（b），单纯的、构成的电路为一个低通电路，而单纯的、构成的电路为一个高通电路。两者叠加构成了带通电路，其低端截止频率与高端的截止频率分别为和：
对于非平衡情况，相移常数在一定范围内变为纯序数，这时的传播常数为一纯实数，这导致在平衡情况的带通电路中产生一阻带，阻带的低端频率、高端频率以及阻带的中心频率（即左右手特性的转换频率）分别为、、：
由于不平衡情况的复合左右手传输线在其左手特性和右手特性中间存在明显的过渡阻带，而且由于交指电容结构影响在某些频率上引起谐振，很不稳定，因此实际应用中一般需要设计采用的是平衡CRLH传输线。
3、耦合器的设计
采用复合左右手传输线实现的直接耦合器与传统形式的耦合器相比有两个显著的优点：(1)能够在相对较大的耦合缝条件下实现紧耦合；(2)能够实现比较宽的工作带宽。采用奇偶模分析法对复合左右手传输线耦合器进行分析。将互耦的电容和电感影响分别纳入到奇模和偶模电路后，奇模和偶模得CRLH传输线便由原来的平衡情况变化为非平衡情况，换句话说实质上耦合器的实现正是利用了非平衡情况下的阻带。实际上，耦合器的工作频带是与单纯的CRLH传输线有关的，另外其工作频段内的特性也与非平衡CRLH传输线的某些特性有关。
分别分析奇模等效电路和偶模等效电路有
、为奇偶模等效电路阻带高频边界，实际上它是由CRLH传输线的等效电路参数确定的，而、为奇偶模等效电路阻带低频边界，、为奇偶模等效电路阻带的中心频率，可以近似认为分别等于最后耦合器的工作频带的中心频率、最低频率与最高频率。
把传统耦合器中的，改写为，因为阻带处的传输函数为虚数，并且由于与为纯虚数，所以有耦合度公式为
(8)
上式中的、、等可由等效的电路参数表示文献[8]给出了相关的公式，采用上文中设计的结构单元设计了工作频率，耦合度的直接耦合器，由公式计算可得采用耦合缝隙为，在各端口进行输入输出阻抗匹配后，按照图2所示版图进行了加工制作，实测结果如图3所示，观察结果可知，该耦合器在的a频率范围内实现了优于的耦合度，方向性达优于，反射损耗优于。由于设计时没有考虑实际物理损耗，所以实测的耦合度要略低于设计值，另外实际耦合器的带宽与复合左右手结构单元的数量有关，增加单元数量可以有效地提高带宽。
4、结语
根据基本理论采用电路优化的设计方法，在0.508mm的5880介质基片上设计实现了复合左右手传输线结构单元，设计和实测结果表明，采用该方法可以在任意介质基片上实现复合左右手传输线单元。并采用该单元实现了中心频率2.6GHz，带宽30%最大耦合度的直接耦合器，与传统形式耦合器相比，带宽更宽，能够实现更强的耦合度，使得这种复合左右手传输线耦合器在未来的微波毫米波通信及电子对抗系统中具有很好的应用前景。
参考文献
[1]K.Murase R.Ishikawa K.Honjo “Group delay equalised monolithic microwave integrated circuit amplifier for ultrawideband based on rightlefthanded transmission line design approach” Microwaves Antennas & Propagation IET 2008
[2]S.Abielmona S.Gupta C.Caloz“Compressive Receiver Using a CRLH-Based Dispersive Delay Line for Analog Signal” Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 2009
[3]Seung Hun Ji, Sang Ki Eun, Choon Sik Cho, “Linearity Improved Doherty Power Amplifier Using Composite Right Left-Handed Transmission Lines” Microwave and Wireless Components Letters, IEEE Aug. 2008
[4]Caloz, C.; Itoh, T; “Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta-materials” , Microwave Symposium Digest, 2003 IEEE MTT-S International vol1 June 2003 p195-198
[5]Christophe Caloz,Atsushi Sanada,Tatsuo Itoh;”A Novel Composite Right-/Left-Handed Coupled-Line Directional Coupler With Arbitrary Coupling Level and Broad Bandwidth”,IEEE Transaction Microwave theory and Techniques.2004 March p980-992
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