تصميم تريبليكسير ميكروستريب منخفض الخسارة منخفض-تمرير/حزمة مع قنوات متقاربة لأنظمة الاتصالات الراديوية الحديثة

لماذا يعد تقسيم الإشارات الراديوية مهماً

كل مرة يتواصل فيها هاتفك أو حساس ذكي أو شاحن لاسلكي عبر الهواء، يجب أن تتشارك مجموعة متنوعة من الإشارات الراديوية نفس قطعة الأجهزة الصغيرة. يحتاج المهندسون إلى طرق لفرز هذه الإشارات بحسب التردد بحيث يمكن للجهاز الاستماع والتحدث وحتى حصاد الطاقة المتناثرة في آن واحد دون تداخل القنوات. تقدم هذه الورقة دائرة تردد راديوي (RF) مدمجة جداً، تدعى تريبليكسير منخفض-تمرير/مرشح-حزمة، قادرة على القيام بذلك لثلاثة نطاقات متقاربة تُستخدم في أنظمة الاتصالات الحديثة وأنظمة حصاد الطاقة.

طريق بثلاثة ممرات للإشارات اللاسلكية

صمم المؤلفون تريبليكسير ميكروستريب، وهو دائرة مسطحة محفورة على لوح رقيق، يقوم بتقسيم الإشارات الواردة من منفذ مشترك إلى ثلاث ممرات ترددية. أحد الممرات هو مسار منخفض-تمرير يمرر كل الإشارات حتى نحو 1.02 غيغاهرتز، في حين أن الممرين الآخرين هما مسارات حزمة تمريرية مركزية على 1.6 غيغاهرتز و2.35 غيغاهرتز. تقع هذه النطاقات في طيف التردد المتوسط الشائع المستخدم في شبكات 5G وأنظمة الطاقة اللاسلكية. ما يميز هذا العمل هو أن القنوات الثلاث قريبة جداً من بعضها في التردد، ومع ذلك تظل الدائرة تقلل تسريب الإشارة والخسارة إلى حدٍ منخفض للغاية، وكل ذلك ضمن مساحة تبلغ فقط نحو 0.02 من مربع الطول الموجي الموجه — صغيرة جداً بمعايير RF.

الأساسيات وراء الدائرة الصغيرة

لتحقيق ذلك، يبدأ الباحثون من لبنة بناء بسيطة لكن منتقاة بعناية: مرشح منخفض-تمرير مكوّن من خط نقل ضيق مُحمّل دورياً بخلايا رقاع معدنية صغيرة. يصفون هذه البنية بدائرة مكافئة مكوّنة من محاثات ومكثفات، مما يمكّنهم من اشتقاق معادلات لتردد القطع للمرشح. بزيادة سعويات الرقاع، يمكنهم تقليص أطوال المقاطع المحاثية المطلوبة، وبالتالي تصغير التخطيط بينما يبقون تردد القطع ثابتاً قرب 1.02 غيغاهرتز. ولأن التحليل يقلل أيضاً من التوافقيات غير المرغوبة — أشرطة تمريرية عشوائية عند ترددات أعلى — يوفر قسم منخفض-التمرير أساساً نظيفاً لإضافة القنوات الإضافية.

إضافة فروع جانبية مضبوطة للنطاقات الإضافية

تُنشأ القناتان الثانية والثالثة بربط فروع جانبية رنانة، أو رنانات حزمة تمريرية، بخط منخفض-التمرير. يتصرف كل رنان كدائرة مضبوطة تمرر بقوة شريحة ضيقة فقط من الترددات — حول 1.6 غيغاهرتز للأول و2.35 غيغاهرتز للثاني — بينما يظهر «غير مرئي» للترددات الأخرى. يستخلص المؤلفون مرة أخرى نموذج دائرة مبسّط، مبينين أن زيادة سعة الرنان تسمح لهم بتقصير مقاطع الخط المحاثي دون تحريك التردد المستهدف، مما يساعد على الحفاظ على صغر الجهاز. يتم تنفيذ قسميْن مُجهّزين برنانات كهذه أولاً كدوائر ثنائية القناة تسمى دايبليكسيرات ثم يجمعان لتشكيل التريبليكسير النهائي دون استخدام فتحات أرضية إضافية (ground vias)، التي قد تُدخل تأثيرات طفيلية غير مرغوبة.

ضبط الأداء عبر المحاكاة والقياس

باستخدام برامج محاكاة كهرومغناطيسية تجارية، يحسّن الفريق مجموعة صغيرة من أطوال الخطوط الأساسية لموازنة ثلاثة أهداف متنافسة: خسارة منخفضة، فصل قوي بين القنوات، وحجم مضغوط. يمكن لتغييرات صغيرة في هذه الأبعاد أن تحرك أو تضعف الأشرطة التمريرية، ويعرض المؤلفون كيف يؤثر كل متغير على الاستجابة. ثم يصنّعون الدائرة على ركيزة منخفضة الخسارة ويقيسون سلوكها بواسطة محلل الشبكة المتجه بدقة. كانت خسائر الإدخال المقاسة — مقدار الإشارة الممتصة أو المنعكسة بدلاً من المارة — فقط 0.4 ديسيبل و0.19 ديسيبل و0.11 ديسيبل في القنوات الثلاث، مع إبقاء الانعكاسات عند كل منفذ أقل من −18 ديسيبل، ما يعني أن معظم القدرة الواردة تُسلّم إلى حيث يجب أن تذهب. يظل تسريب الإشارة الضار بين أي زوج من المخرجات أفضل من نحو −19 ديسيبل عبر نطاق التشغيل.

ما الذي يعنيه هذا لأجهزة لاسلكية مستقبلية

بعبارات بسيطة، يعمل التريبليكسير المقترح كفاصل ثلاثي الطريق مرتب للغاية قادر على فصل قنوات راديوية متقاربة جداً بمقدار ضئيل من الطاقة المهدرة وفي مساحة صغيرة جداً. مقارنةً بالتصاميم السابقة، يقدم خسارة أقل بكثير، تطابقاً أفضل، وبصمة أصغر، كل ذلك مع التعامل مع تباعد قنوات أقرب. تجعل هذه المجموعة منه خياراً جذاباً لمقدمات RF المزدحمة في محطات قواعد 5G، ونقاط إنترنت الأشياء، ودوائر حصاد الطاقة اللاسلكية، حيث المساحة محدودة لكن الكفاءة وجودة الإشارة حاسمتان. كما يقدّم نهج التصميم — استخدام نماذج دائرية واضحة لتوجيه التصغير ثم الصقل عبر تحسين دقيق — خارطة طريق للمهندسين الذين يرغبون في حزم مزيد من قنوات التردد في أجهزة لاسلكية مُدمجة في المستقبل.

الاستشهاد: Yahya, S.I., Zubir, F., Nouri, L. et al. Design of a Low-Loss microstrip Lowpass-Bandpass triplexer with closely spaced channels for modern RF communication systems. Sci Rep 16, 4886 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35043-1

الكلمات المفتاحية: تريبليكسير ميكروستريب, مرشح منخفض-تمرير/مرشح حزمة, الواجهة الأمامية لترددات 5G, شبكات لاسلكية متعددة النطاقات, حصاد الطاقة اللاسلكية