עיצוב טריפלקסר מיקרוסטריפ פס-נמוך/פס-עובר עם אובדן נמוך וערוצים קרובים זה לזה למערכות תקשורת RF מודרניות

למה חלוקה של אותות רדיו חשובה

בכל פעם שהטלפון שלך, חיישן חכם או מטען אלחוטי מתקשרים דרך האוויר, ערבוב של אותות רדיו שונים צריך לשתף את אותו רכיב קטן. מהנדסים זקוקים לשיטות לסדר את האותות לפי תדר באופן מסודר כדי שהמכשיר יוכל להאזין, לשדר ואפילו לקטוף אנרגיה נותרת בו-זמנית ללא הפרעות בין הערוצים. מאמר זה מציג מעגל תדרי רדיו קומפקטי מאוד, שנקרא טריפלקסר פס-נמוך/פס-עובר, שיכול לעשות בדיוק זאת עבור שלושה תחומי תדרים צמודים המשמשים במערכות תקשורת וקצירת אנרגיה מודרניות.

כביש בן שלושה נתיבים לאותות אלחוטיים

המחברים מעצבים טריפלקסר מיקרוסטריפ, מעגל שטוח חרוט על לוח דק, שמפצל אותות הנכנסים מיציאה משותפת לשלוש נתיבי תדר. נתיב אחד הוא מסלול פס-נמוך שמעביר את כל האותות עד לכ־1.02 גיגה-הרץ, בעוד השניים האחרים הם מסלולי פס-עובר שממוקדים סביב 1.6 גיגה-הרץ ו־2.35 גיגה-הרץ. הרצועות הללו נמצאות בספקטרום התדרים הביניים הפופולרי שמשמש רשתות 5G ומערכות אספקת כוח אלחוטיות. מה שמייחד את העבודה הוא שהשלושה ערוצים יושבים קרוב זה לזה בתדר, ועדיין המעגל שומר על דליפה ואובדן אות נמוכים מאוד, והכול בגודל רגל של בערך 0.02 מרובע של אורך גל מדריך — קטן מאוד בתקני RF.

גושי בנייה מאחורי המעגל הקטן

כדי להשיג זאת, החוקרים מתחילים מגוש בנייה פשוט אך נבחר בקפידה: מסנן פס-נמוך המורכב מקו העברה צר המוטען תקופתית ב"תאי פאץ׳" מתכתיים קטנים. הם מתארים את המבנה הזה עם מעגל מקבילי שקול מורכב מסלילים וקבלים, המאפשר להם לגזור משוואות לתדירות החתך של המסנן. על ידי הגדלת קיבוליות הפאץ׳, הם מסוגלים לקצר את אורכי הקווים האינדוקטיביים הנדרשים, ובכך למזער את הפריסה תוך שמירה על חיתוך קרוב ל־1.02 גיגה-הרץ. מאחר שהניתוח גם מדכא הרמוניקות לא רצויות—פסי העברה ספורדיים בתדירויות גבוהות יותר—החלק הפס-נמוך מספק בסיס נקי להוספת ערוצים נוספים.

הוספת ענפים מוזנים לתדרים נוספים

הערוץ השני והשלישי נוצרים על ידי חיבור ענפי תהודה מוזנים, או מהדהדי פס-עובר, לקו הפס-נמוך. כל מהדהד מתנהג כמו מעגל ממוכלל המחמיץ בחוזקה רק פרוסת תדרים צרה—בערך 1.6 גיגה-הרץ לראשון ו־2.35 גיגה-הרץ לשני—בעודו נראה "בלתי נראה" לתדרים אחרים. המחברים שוב מפתחים מודל מעגל מפושט, שמראה שהגדלת קיבוליות המהדהד מאפשרת לקצר את מקטעי הקו האינדוקטיביים מבלי להזיז את התדר היעד, מה שעוזר לשמור על המכשיר קומפקטי. שני מקטעים מצוידים במהדהדים אלו מיושמים תחילה כמעגלים דו-ערוציים נפרדים הנקראים דיפלקסרים ואז משולבים לטריפלקסר תלת-ערוצי סופי ללא שימוש דרך נוספת לאדמה (via), מה שעלול היה להכניס אפקטים פארזיטים לא רצויים.

כיול ביצועים באמצעות סימולציה ומדידה

באמצעות תוכנת סימולציה אלקטרומגנטית מסחרית, הצוות מייעל מספר מועט של אורכי קווים מרכזיים כדי לאזן בין שלושה מטרות מתחרות: אובדן נמוך, הפרדה חזקה בין הערוצים וגודל קומפקטי. שינויים קטנים במידות אלה יכולים להזיז או להחליש פסי העברה, והמחברים ממפים איך כל פרמטר משפיע על התגובה. לאחר מכן הם מייצרים את המעגל על מצע בעל אובדן נמוך ומודדים את התנהגותו באמצעות מנתח רשת וקטורי מדויק. אובדני ההכנסה הנמדדים—כמה אות נספג או מוחזר במקום לעבור קדימה—הם רק 0.4 דציבל, 0.19 דציבל ו־0.11 דציבל בשלושת הערוצים, עם השתקפויות בכל יציאה הנשמרות מתחת ל־−18 דציבל, כלומר כמעט כל ההספק הנכנס מועבר אל היעד. דליפת אות מזיקה בין כל זוג יציאות נשארת טובה יותר מכ־−19 דציבל בטווח התפעולי.

מה זה אומר למכשירים אלחוטיים עתידיים

במילים פשוטות, הטריפלקסר המוצע פועל כמו מפצל תלת-נתיבי מסודר במיוחד שמסוגל להפריד ערוצי רדיו צפופים מאוד עם בזבוז אנרגיה מועט ובשטח קטן. בהשוואה לעיצובים קודמים, הוא מציע אובדן נמוך בהרבה, התאמה טובה יותר וטביעת רגל קטנה יותר, וכל זאת תוך טיפול בריחוק ערוצים צמוד יותר. השילוב הזה הופך אותו לאטרקטיבי עבור חזיתות RF צפופות בתחנות בסיס 5G, צמתים של אינטרנט הדברים ומעגלי קצירת אנרגיה אלחוטית, שבהן המקום מוגבל אך היעילות ואיכות האות קריטיות. גישת העיצוב—שימוש במודלים מעגליים ברורים להנחיית המיקרו-תכנון ואז שיפור בעזרת אופטימיזציה מדודה—מספקת גם מפת דרכים למהנדסים שרוצים לארוז עוד ערוצי תדר בחומרה האלחוטית הקומפקטית של המחר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: טריפלקסר מיקרוסטריפ, מסנן פס-נמוך-פס-עובר, חזית RF ל-5G, אלחוט בריבוי-תחומים, קצירת אנרגיה אלחוטית