Projekt niskostratnego mikropaskowego triplexera dolnoprzepustno-przepustowego z blisko rozmieszczonymi pasmami dla nowoczesnych systemów komunikacji RF

Dlaczego rozdzielanie sygnałów radiowych ma znaczenie

Za każdym razem, gdy twój telefon, inteligentny czujnik lub bezprzewodowa ładowarka komunikuje się przez powietrze, mieszanina różnych sygnałów radiowych musi współdzielić ten sam niewielki układ. Inżynierowie potrzebują sposobów na schludne rozdzielenie tych sygnałów według częstotliwości, aby urządzenie mogło jednocześnie nasłuchiwać, nadawać, a nawet odzyskiwać rozproszoną energię bez wzajemnych zakłóceń kanałów. Artykuł przedstawia bardzo kompaktowy układ radiowy (RF), zwany triplexerem dolnoprzepustno-przepustowym, który potrafi to zrobić dla trzech blisko położonych pasm częstotliwości używanych we współczesnych systemach komunikacji i pozyskiwania energii.

Trójpasmowa droga dla sygnałów bezprzewodowych

Autorzy zaprojektowali mikropaskowy triplexer — płaski układ trawiony na cienkiej płytce — który dzieli sygnały przychodzące z jednego wspólnego portu na trzy pasma częstotliwości. Jedna ścieżka to tor dolnoprzepustowy przepuszczający wszystkie sygnały do około 1,02 GHz, podczas gdy pozostałe dwa to toru przepustowe z centrami w 1,6 GHz i 2,35 GHz. Te pasma leżą w popularnym paśmie średnich częstotliwości wykorzystywanych przez sieci 5G i systemy zasilania bezprzewodowego. Istotne w tej pracy jest to, że trzy kanały są niezwykle blisko siebie w domenie częstotliwości, a mimo to układ utrzymuje bardzo niskie przesłuchy i straty, mieszcząc się w polu zajętości wynoszącym zaledwie około 0,02 kwadratu długości prowadzonej fali — bardzo mało według standardów RF.

Elementy składowe stojące za miniaturowym układem

Aby to osiągnąć, badacze zaczynają od prostego, lecz starannie dobranego elementu: filtru dolnoprzepustowego wykonanego z wąskiej linii transmisyjnej okresowo obciążonej niewielkimi metalowymi „komórkami płytkowymi”. Opisują tę strukturę za pomocą równoważnego obwodu złożonego z indukcyjności i pojemności, co pozwala im sformułować równania dla częstotliwości odcięcia filtru. Zwiększając pojemności płytkowe, mogą skrócić wymagane długości odcinków indukcyjnych, efektywnie zmniejszając rozmiar układu przy zachowaniu częstotliwości odcięcia blisko 1,02 GHz. Ponieważ analiza jednocześnie tłumi niepożądane harmoniczne — fałszywe pasma przepustowe przy wyższych częstotliwościach — sekcja dolnoprzepustowa stanowi czystą podstawę dla dodatkowych kanałów.

Dodanie strojonych odgałęzień dla dodatkowych pasm

Drugi i trzeci kanał powstają przez dołączenie rezonansowych odgałęzień bocznych, czyli rezonatorów przepustowych, do linii dolnoprzepustowej. Każdy rezonator zachowuje się jak obwód strojony, który silnie przepuszcza jedynie wąski wycinek częstotliwości — około 1,6 GHz dla pierwszego i 2,35 GHz dla drugiego — jednocześnie pozostając „niewidoczny” dla innych częstotliwości. Autorzy ponownie opracowują uproszczony model obwodowy, pokazując, że zwiększenie pojemności rezonatora pozwala skrócić sekcje indukcyjne linii bez przesunięcia docelowej częstotliwości, co pomaga utrzymać niewielkie wymiary całego urządzenia. Dwie takie sekcje z rezonatorami najpierw realizowane są jako oddzielne dwukanałowe obwody zwane diplexerami, a następnie łączone, tworząc finalny trójkanałowy triplexer bez użycia dodatkowych przebić do masy, które mogłyby wprowadzać niepożądane efekty pasożytnicze.

Dostrajanie wydajności poprzez symulacje i pomiary

Z użyciem komercyjnego oprogramowania do symulacji elektromagnetycznej zespół optymalizuje kilka kluczowych długości linii, by wyważyć trzy konkurencyjne cele: niskie straty, silne rozdzielenie kanałów i kompaktowy rozmiar. Niewielkie zmiany tych wymiarów mogą przesunąć pasma przepustowe lub osłabić je, a autorzy mapują wpływ każdego parametru na odpowiedź. Następnie wykonują układ na podłożu o niskich stratach i mierzą jego zachowanie za pomocą precyzyjnego analizatora sieci wektorowej. Mierzone straty wtrąceniowe — ile sygnału jest pochłaniane lub odbijane zamiast być przesłane dalej — wynoszą zaledwie 0,4 dB, 0,19 dB i 0,11 dB w trzech kanałach, a odbicia na każdym porcie utrzymano poniżej −18 dB, co oznacza, że niemal cała moc wejściowa trafia tam, gdzie powinna. Szkodliwe przesłuchy między dowolną parą wyjść pozostają lepsze niż około −19 dB w całym zakresie pracy.

Co to oznacza dla przyszłych urządzeń bezprzewodowych

Mówiąc najprościej, proponowany triplexer działa jak wyjątkowo uporządkowany trójnik, który może rozdzielać ciasno upakowane kanały radiowe z bardzo małymi stratami energii i na bardzo małej powierzchni. W porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami oferuje znacznie niższe straty, lepsze dopasowanie i mniejszy rozmiar, przy jednoczesnym obsługiwaniu bliżej rozmieszczonych pasm. To połączenie cech czyni go atrakcyjnym dla zatłoczonych przednich części RF w stacjach bazowych 5G, węzłach Internetu Rzeczy i układach bezprzewodowego pozyskiwania energii, gdzie przestrzeń jest ograniczona, a wydajność i jakość sygnału są krytyczne. Podejście projektowe — wykorzystanie przejrzystych modeli obwodowych do prowadzenia miniaturyzacji, a następnie dopracowywanie za pomocą starannej optymalizacji — daje też inżynierom drogowskaz do upakowania jeszcze większej liczby kanałów częstotliwości w kompaktowym sprzęcie bezprzewodowym jutra.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: mikropaskowy triplexer, filtr dolnoprzepustno-przepustowy, przednia część 5G RF, wielopasmowa łączność bezprzewodowa, bezprzewodowe pozyskiwanie energii