Ontwerp van een low-loss microstrip lowpass-bandpass triplexer met nauw naast elkaar gelegen kanalen voor moderne RF-communicatiesystemen

Waarom het scheiden van radiosignalen ertoe doet

Elke keer dat uw telefoon, een slimme sensor of een draadloze oplader draadloos communiceert, moeten verschillende radiosignalen hetzelfde kleine stuk hardware delen. Ingenieurs hebben manieren nodig om deze signalen netjes naar frequentie te sorteren zodat een apparaat tegelijk kan luisteren, zenden en zelfs voorbijgaande energie kan oogsten zonder dat de kanalen elkaar storen. Dit artikel introduceert een zeer compact radiofrequentie(RF)-circuit, een lowpass-bandpass triplexer, dat precies dat kan doen voor drie nauw naast elkaar liggende frequentiebanden die in moderne communicatie- en energieophaalssystemen worden gebruikt.

Een driebaans snelweg voor draadloze signalen

De auteurs ontwerpen een microstrip-triplexer, een vlak circuit geëtst op een dunne printplaat, dat signalen van één gemeenschappelijke poort splitst in drie frequentiebanen. Eén baan is een lowpass-pad dat alle signalen tot ongeveer 1,02 GHz doorlaat, terwijl de andere twee bandpass-paden zijn gecentreerd op 1,6 GHz en 2,35 GHz. Deze banden liggen in het veelgebruikte middenfrequentiespectrum dat door 5G-netwerken en draadloze vermogenssystemen wordt gebruikt. Wat het werk opmerkelijk maakt, is dat de drie kanalen uitzonderlijk dicht bij elkaar in frequentie liggen, terwijl het circuit toch lekken en verliezen extreem laag houdt, allemaal binnen een oppervlakte van slechts ongeveer 0,02 van een vierkante geleidende golflengte — zeer klein volgens RF-normen.

Bouwstenen achter het kleine circuit

Om dit te bereiken, beginnen de onderzoekers met een eenvoudige maar zorgvuldig gekozen bouwsteen: een lowpass-filter gemaakt van een smalle transmissielijn die periodiek is beladen met kleine metalen "patch-cellen." Ze beschrijven deze structuur met een equivalente schakeling bestaande uit inductoren en condensatoren, waarmee ze vergelijkingen voor de cut-off frequentie kunnen opstellen. Door de patch-capaciteiten groter te maken, kunnen ze de benodigde inductieve lijnlengtes verkorten, waardoor het ontwerp effectief verkleind wordt terwijl de cut-off rond 1,02 GHz behouden blijft. Omdat de analyse ook ongewenste harmonischen onderdrukt — spookdoorlaatbanden op hogere frequenties — levert het lowpass-gedeelte een schone basis voor extra kanalen.

Toevoegen van afgestemde zijtakken voor extra banden

Het tweede en derde kanaal worden gecreëerd door resonante zijtakken, of bandpass-resonators, aan de lowpass-lijn te koppelen. Elke resonator gedraagt zich als een afgestemde schakeling die sterk slechts een smal frequentiegebied doorlaat — rond 1,6 GHz voor de eerste en 2,35 GHz voor de tweede — terwijl hij voor andere frequenties vrijwel "onzichtbaar" lijkt. De auteurs leiden opnieuw een vereenvoudigd schakelschema af, waaruit blijkt dat het vergroten van de resonatorcapaciteit hen toestaat de inductieve lijndelen te verkorten zonder de doel-frequentie te verschuiven, wat helpt om het hele apparaat compact te houden. Twee van dergelijke resonator-uitgeruste secties worden eerst gerealiseerd als afzonderlijke tweekanaalcircuits, diplexers genoemd, en vervolgens gecombineerd tot de uiteindelijke driekanaal-triplexer zonder extra aardaansluitingen (vias) te gebruiken, die ongewenste parasitaire effecten zouden kunnen introduceren.

Fijnregelen van prestaties via simulatie en meting

Met commerciële elektromagnetische simulatiesoftware optimaliseert het team een handvol sleutel-lijnlengtes om drie concurrerende doelen in evenwicht te brengen: laag verlies, sterke scheiding tussen kanalen en compact formaat. Kleine wijzigingen in deze afmetingen kunnen doorlaatbanden verschuiven of verzwakken, en de auteurs brengen in kaart hoe elke parameter de respons beïnvloedt. Daarna fabriceren ze het circuit op een laag-verlies substraat en meten het gedrag met een precieze vector netwerk analyzer. De gemeten insertieverliezen — hoeveel signaal wordt geabsorbeerd of gereflecteerd in plaats van doorgestuurd — zijn slechts 0,4 dB, 0,19 dB en 0,11 dB in de drie kanalen, met reflecties bij elke poort onder −18 dB, wat betekent dat bijna al het binnenkomende vermogen wordt geleverd waar het hoort. Schadelijke signaallekken tussen elk paar uitgangen blijven beter dan ongeveer −19 dB over het werkgebied.

Wat dit betekent voor toekomstige draadloze apparaten

In eenvoudige bewoordingen werkt de voorgestelde triplexer als een uitzonderlijk nette drieweg-splitter die nauw opeengepakte radiokanalen kan scheiden met zeer weinig verspilde energie en in een zeer kleine ruimte. Vergeleken met eerdere ontwerpen biedt het veel lagere verliezen, betere matching en een kleinere voetafdruk, terwijl het toch nauwere kanaalafstand aankan. Deze combinatie maakt het aantrekkelijk voor drukbezette RF-front-ends in 5G-basisstations, Internet-of-Things-knooppunten en draadloze energie-ophaalcircuits, waar ruimte beperkt is maar efficiëntie en signaalkwaliteit cruciaal zijn. De ontwerpbenadering — gebruikmaken van heldere schakelingen om miniaturisatie te sturen en daarna verfijnen met zorgvuldige optimalisatie — biedt ook een routekaart voor ingenieurs die nog meer frequentiekanalen in de compacte draadloze hardware van morgen willen proppen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: microstrip triplexer, lowpass-bandpass filter, 5G RF front-end, multi-band draadloos, draadloze energieophaling