Conception d’un triplexeur microstrip passe-bas–passe-bande à faibles pertes avec des canaux étroitement espacés pour les systèmes de communication RF modernes

Pourquoi il est important de séparer les signaux radio

Chaque fois que votre téléphone, un capteur connecté ou un chargeur sans fil communique par ondes radio, un ensemble de signaux différents doit partager le même petit élément matériel. Les ingénieurs ont besoin de moyens pour trier proprement ces signaux par fréquence afin qu’un appareil puisse écouter, émettre et même récolter de l’énergie ambiante simultanément sans que les canaux n’interfèrent. Cet article présente un circuit radiofréquence (RF) très compact, appelé triplexeur passe-bas–passe-bande, capable d’effectuer précisément cette tâche pour trois bandes de fréquence proches utilisées dans les systèmes de communication et de collecte d’énergie modernes.

Une autoroute à trois voies pour les signaux sans fil

Les auteurs conçoivent un triplexeur microstrip, un circuit plan gravé sur une mince plaque, qui divise les signaux entrants d’un port commun en trois voies fréquentielles. Une voie est un chemin passe-bas qui laisse passer tous les signaux jusqu’à environ 1,02 GHz, tandis que les deux autres sont des chemins passe-bande centrés à 1,6 GHz et 2,35 GHz. Ces bandes se situent dans le spectre intermédiaire populaire utilisé par les réseaux 5G et les systèmes d’alimentation sans fil. Ce qui rend le travail remarquable, c’est que les trois canaux sont inhabituellement proches en fréquence, et pourtant le circuit maintient des fuites et des pertes de signal extrêmement faibles, le tout dans une empreinte d’environ 0,02 de longueur d’onde guidée au carré — très petit selon les normes RF.

Les éléments constitutifs du circuit miniature

Pour y parvenir, les chercheurs partent d’un bloc de base simple mais soigneusement choisi : un filtre passe-bas constitué d’une ligne de transmission étroite chargée périodiquement par de petites « cellules » métalliques en forme de patch. Ils décrivent cette structure par un circuit équivalent composé d’inductances et de capacités, ce qui leur permet d’établir des équations pour la fréquence de coupure du filtre. En augmentant la capacité des patchs, ils peuvent réduire les longueurs de ligne inductives requises, miniaturisant ainsi la disposition tout en maintenant la coupure proche de 1,02 GHz. Comme l’analyse supprime également les harmoniques indésirables — des bandes de passage parasites à des fréquences plus élevées — la section passe-bas fournit une base propre pour les canaux additionnels.

Ajout de branches latérales accordées pour les bandes supplémentaires

Les deuxième et troisième canaux sont créés en raccordant des branches latérales résonantes, ou résonateurs passe-bande, à la ligne passe-bas. Chaque résonateur se comporte comme un circuit accordé qui laisse fortement passer une tranche étroite de fréquences — autour de 1,6 GHz pour le premier et 2,35 GHz pour le second — tout en paraissant « invisible » aux autres fréquences. Les auteurs établissent à nouveau un modèle de circuit simplifié, montrant que l’augmentation de la capacité du résonateur permet de raccourcir les sections de ligne inductive sans décaler la fréquence ciblée, ce qui aide à maintenir la compacité du dispositif. Deux sections équipées de tels résonateurs sont d’abord réalisées comme circuits à deux canaux séparés appelés diplexeurs, puis combinées pour former le triplexeur final à trois canaux sans utiliser de vias de masse supplémentaires, susceptibles d’introduire des effets parasites indésirables.

Ajustement fin des performances par simulation et mesure

À l’aide d’un logiciel commercial de simulation électromagnétique, l’équipe optimise une poignée de longueurs de ligne clés pour équilibrer trois objectifs concurrents : faibles pertes, forte séparation entre les canaux et compacité. De petites modifications de ces dimensions peuvent déplacer ou affaiblir les bandes passantes, et les auteurs cartographient comment chaque paramètre influence la réponse. Ils fabriquent ensuite le circuit sur un substrat à faibles pertes et mesurent son comportement à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel de précision. Les pertes d’insertion mesurées — la portion du signal absorbée ou réfléchie au lieu d’être transmise — sont de seulement 0,4 dB, 0,19 dB et 0,11 dB dans les trois canaux, avec des réflexions à chaque port conservées en dessous de −18 dB, ce qui signifie que presque toute la puissance entrante est délivrée là où elle doit aller. Les fuites de signal nuisibles entre n’importe quelle paire de sorties restent meilleures qu’environ −19 dB sur la plage de fonctionnement.

Ce que cela signifie pour les dispositifs sans fil futurs

En termes simples, le triplexeur proposé agit comme un séparateur trois voies exceptionnellement net qui peut isoler des canaux radio étroitement espacés avec très peu d’énergie perdue et sur une très petite surface. Comparé aux conceptions antérieures, il offre des pertes bien plus faibles, un meilleur appariement et une empreinte réduite, tout en supportant un espacement de canaux plus serré. Cette combinaison le rend attractif pour les front-ends RF encombrés des stations de base 5G, des nœuds Internet des objets et des circuits de collecte d’énergie sans fil, où l’espace est limité mais où l’efficacité et la qualité du signal sont cruciales. L’approche de conception — utiliser des modèles de circuit clairs pour guider la miniaturisation puis affiner par une optimisation soigneuse — fournit également une feuille de route aux ingénieurs souhaitant intégrer encore plus de canaux de fréquence dans le matériel sans fil compact de demain.

Citation: 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

Mots-clés: triplexeur microstrip, filtre passe-bas–passe-bande, front-end RF 5G, sans fil multibande, collecte d’énergie sans fil