Конструкция низкопотерьного микро-полосного низкочастотного-бандпасного триплексера с тесно расположенными каналами для современных RF-систем связи

Почему важно разделять радиосигналы

Каждый раз, когда ваш телефон, умный датчик или беспроводное зарядное устройство обмениваются данными по воздуху, набор разных радиосигналов должен разделять одно и то же компактное аппаратное обеспечение. Инженерам нужны методы аккуратно сортировать эти сигналы по частоте, чтобы устройство могло одновременно принимать, передавать и даже собирать рассеянную энергию без взаимных помех. В этой работе представлен очень компактный радиочастотный (RF) тракт, называемый низкопроходно-полосовым триплексером, который как раз выполняет такую функцию для трёх тесно расположенных частотных полос, используемых в современных системах связи и сбора энергии.

Трехполосная магистраль для беспроводных сигналов

Авторы разработали микростриповый триплексер — плоскую схему, выгравированную на тонкой плате, которая разделяет сигналы, поступающие на общий порт, на три частотные «полосы». Одна полоса представляет собой путь низких частот, пропускающий все сигналы до примерно 1,02 ГГц, тогда как две другие — полосовые тракты с центрами на 1,6 ГГц и 2,35 ГГц. Эти полосы находятся в популярной средней части спектра, используемой сетями 5G и системами беспроводной передачи мощности. Особенность работы в том, что три канала расположены необычно близко по частоте, при этом схема сохраняет крайне низкие утечки и потери сигнала, занимая площадь всего около 0,02 квадратного направленного длины волны — очень компактно по RF-стандартам.

Конструктивные элементы миниатюрной схемы

Для достижения этого исследователи исходят из простого, но аккуратно подобранного строительного блока: фильтра низких частот, выполненного из узкой линий передачи, периодически нагруженной небольшими металлическими «ячейками-патчами». Они описывают эту структуру эквивалентной схемой из индуктивностей и ёмкостей, что позволяет вывести уравнения для частоты среза фильтра. Увеличивая ёмкости патчей, можно сократить требуемые длины индуктивных участков линии, эффективно миниатюризируя разводку при сохранении частоты среза около 1,02 ГГц. Поскольку анализ также подавляет нежелательные гармоники — паразитные пропускные полосы на более высоких частотах — секция низких частот обеспечивает чистую основу для добавления дополнительных каналов.

Добавление настроенных боковых ветвей для дополнительных полос

Второй и третий каналы реализованы присоединением резонансных боковых ветвей, или полосовых резонаторов, к линии низких частот. Каждый резонатор функционирует как настроенный контур, который сильно проходит лишь узкий диапазон частот — около 1,6 ГГц для первого и 2,35 ГГц для второго — при этом для остальных частот он выглядит «невидимым». Авторы вновь выводят упрощённую модель схемы, показывая, что увеличение ёмкости резонатора позволяет укоротить индуктивные участки линии без смещения целевой частоты, что способствует компактности устройства. Две такие секции с резонаторами сначала реализованы как отдельные двухканальные устройства, называемые диплексерами, а затем объединены для получения окончательного трехканального триплексера без использования дополнительных переходов на землю (ground vias), которые могли бы ввести нежелательные паразитные эффекты.

Тонкая настройка через моделирование и измерения

С помощью коммерческого ПО для электромагнитного моделирования команда оптимизирует несколько ключевых длин линий, чтобы сбалансировать три конкурирующие задачи: низкие потери, сильное разделение каналов и компактный размер. Небольшие изменения в этих размерах могут смещать или ослаблять пропускные полосы, и авторы картографируют, как каждый параметр влияет на отклик. Затем они изготавливают схему на низкопотерянном субстрате и измеряют её характеристики при помощи прецизионного векторного анализатора цепей. Измеренные коэффициенты вставки — доля сигнала, поглощаемого или отражаемого вместо передачи — составляют всего 0,4 дБ, 0,19 дБ и 0,11 дБ в трёх каналах, при этом отражения на каждом порту удерживаются ниже −18 дБ, что означает, что почти вся входящая мощность доставляется туда, куда нужно. Вредная утечка сигнала между любой парой выходов остаётся лучше примерно −19 дБ в рабочем диапазоне.

Что это значит для будущих беспроводных устройств

Проще говоря, предложенный триплексер действует как исключительно аккуратный трёхпутевой разделитель, способный отделять плотно упакованные радиоканалы с минимальными потерями энергии и на очень малой площади. По сравнению с предыдущими конструкциями он предлагает гораздо меньшие потери, лучшее согласование и меньшую занимаемую площадь, при этом выдерживая более близкое частотное расположение каналов. Такое сочетание делает его привлекательным для загруженных RF-фронтэндов в базовых станциях 5G, узлах Интернета вещей и схемах беспроводного сбора энергии, где пространство ограничено, но критичны эффективность и качество сигнала. Подход к проектированию — использование ясных схемных моделей для направленной миниатюризации с последующей доводкой через тщательную оптимизацию — также предоставляет инженерам дорожную карту для упаковки ещё большего числа частотных каналов в компактное беспроводное оборудование завтрашнего дня.

Цитирование: 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

Ключевые слова: микрострип триплексер, фильтр низких частот — полосовой фильтр, RF фронт-энд 5G, многодиапазонная беспроводная связь, беспроводная сборка энергии