現代のRF通信システム向けに狭い周波数間隔のチャネルを持つ低損失マイクロストリップ低域通過・帯域通過トリプレクサの設計

無線信号を分割することが重要な理由

携帯電話、スマートセンサー、ワイヤレス充電器が空中で通信するたびに、さまざまな無線信号が同じ小さなハードウェアを共有しなければなりません。エンジニアは、デバイスが同時に受信、送信、さらには取りこぼしたエネルギーを回収できるように、周波数に応じて信号を整然と仕分けする方法を必要とします。本稿では、現代の通信やエネルギーハーベスティングシステムで使われる三つの近接した周波数帯を同時に扱える、低域通過・帯域通過トリプレクサと呼ばれる非常にコンパクトな高周波（RF）回路を紹介します。

無線信号のための三車線ハイウェイ

著者らは、薄い基板上にエッチングされたフラットな回路であるマイクロストリップ・トリプレクサを設計し、共通ポートから来る信号を三つの周波数路に分岐させます。一方は約1.02 GHzまでの信号を通す低域通過経路で、残る二つは中心周波数1.6 GHzと2.35 GHzの帯域通過経路です。これらの帯域は5Gネットワークやワイヤレス電力システムで使われる中周波数帯に位置します。本研究の注目点は、三つのチャネルが周波数的に異常に近接しているにもかかわらず、回路がリークや損失を極めて低く抑え、しかも導波長の平方に対して約0.02という非常に小さなフットプリントに収まっている点です。

小さな回路の背後にある構成要素

これを実現するために、研究者らはまず慎重に選んだ単純な構成要素から出発します：細い伝送線路に周期的に小さな金属“パッチセル”を負荷した低域通過フィルタです。彼らはこの構造をインダクタとキャパシタで表す等価回路で記述し、遮断周波数を示す式を導きます。パッチの静電容量を増やすことで必要なインダクティブな線路長を短くでき、遮断周波数を約1.02 GHz付近に保ちながらレイアウトを小型化できます。解析により高調波などの不要なスプリアス通過帯も抑制されるため、低域通過部は追加チャネルのためのクリーンな基盤を提供します。

追加帯域のための調整された側枝の追加

第二および第三のチャネルは、低域通過線路に共振性のある側枝、すなわち帯域通過共振器を接続することで作られます。各共振器は狭い周波数帯だけを強く通す調整回路のように振る舞い、1.6 GHz付近および2.35 GHz付近のそれぞれの周波数を通す一方で、他の周波数に対しては“見えない”ように振る舞います。著者らはここでも簡略化した回路モデルを導き、共振器の容量を増やすことで目標周波数を変えずにインダクティブ線路長を短縮できることを示し、装置全体の小型化に寄与していることを示します。共振器を備えた二つのセクションはまず二チャネル回路（ディプレクサ）として実現され、それらを追加のグランドビアを使わずに組み合わせて最終的な三チャネルトリプレクサを形成しています。グランドビアは望ましくない寄生効果を生む可能性があるため避けられています。

シミュレーションと測定による性能の微調整

研究チームは市販の電磁界シミュレーションソフトを用いて、低損失、チャネル間の強い分離、小型化という三つの相反する目標を両立させるために、いくつかの重要な線路長を最適化します。これら寸法の小さな変化が通過帯の位置や特性を変えるため、各パラメータが応答に与える影響を詳細にマッピングしています。その後、低損失基板上に回路を製作し、高精度ベクトルネットワークアナライザで挙動を測定します。測定された挿入損失（信号が吸収または反射され転送されない量）は三つのチャネルでそれぞれ0.4 dB、0.19 dB、0.11 dBにとどまり、各ポートでの反射は−18 dB以下に抑えられ、ほとんどの入射電力が所望の出力に配分されていることを示します。出力間の有害な信号漏洩も動作範囲で約−19 dBより良好に保たれています。

今後の無線機器にとっての意義

平たく言えば、提案されたトリプレクサは極めて整然とした三方分岐器のように働き、非常に狭い周波数間隔のチャネルをごく少ない無駄なエネルギーで、しかも極小面積で分離できます。従来の設計と比べて損失ははるかに小さく、整合性は良好で、フットプリントも小さく、同時により近接したチャネル間隔を扱える点が優れています。この組み合わせは、空間が限られつつ効率と信号品質が重要な5G基地局、IoTノード、ワイヤレスエネルギーハーベスティング回路などの混雑したRFフロントエンドにとって魅力的です。透明な回路モデルに基づく小型化の指針と、慎重な最適化による仕上げという設計手法は、将来のより多くの周波数チャネルを小型ハードウェアに詰め込もうとするエンジニアにとってのロードマップにもなります。

引用: 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

キーワード: マイクロストリップ・トリプレクサ, 低域通過－帯域通過フィルタ, 5G RFフロントエンド, マルチバンド無線, ワイヤレスエネルギーハーベスティング