Design av en lågförlust microstrip-lågpass-bandpass-triplexer med nära liggande kanaler för moderna RF-kommunikationssystem

Varför det är viktigt att dela upp radiosignaler

Varje gång din telefon, en smart sensor eller en trådlös laddare kommunicerar över luften måste en blandning av olika radiosignaler dela samma lilla hårdvaruenhet. Ingenjörer behöver metoder för att snyggt sortera dessa signaler efter frekvens så att en enhet kan lyssna, sända och till och med skörda spillenergi samtidigt utan att kanalerna stör varandra. Denna artikel presenterar en mycket kompakt radiofrekvenskrets (RF), kallad lågpass-bandpass-triplexer, som kan göra just det för tre frekvensband som ligger nära varandra och som används i moderna kommunikations- och energiskördningssystem.

En trefilig motorväg för trådlösa signaler

Författarna utformar en microstrip-triplexer, en flat krets etsad på en tunn platta, som delar signaler från en gemensam port i tre frekvensfiler. En fil är en lågpassväg som släpper igenom alla signaler upp till cirka 1,02 GHz, medan de andra två är bandpassvägar centrerade vid 1,6 GHz respektive 2,35 GHz. Dessa band ligger i det populära mellersta frekvensspektret som används av 5G-nätverk och trådlösa kraftsystem. Det som gör arbetet anmärkningsvärt är att de tre kanalerna ligger ovanligt nära varandra i frekvens, men kretsen håller ändå signalläckage och förluster extremt låga – allt inom ett fotavtryck på endast ungefär 0,02 av en kvadrat guidad våglängd, mycket litet enligt RF-standarder.

Byggstenarna bakom den lilla kretsen

För att uppnå detta utgår forskarna från en enkel men noggrant vald byggsten: ett lågpassfilter gjort av en smal transmissionslinje periodiskt belastad med små metalliska "patch-celler." De beskriver denna struktur med en ekvivalent krets bestående av spolar och kondensatorer, vilket låter dem skriva ekvationer för filtret skärfrekvens. Genom att öka patch-kapaciteterna kan de förkorta de nödvändiga induktiva linjelängderna, vilket effektivt miniaturiserar layouten samtidigt som skärfrekvensen hålls nära 1,02 GHz. Eftersom analysen även dämpar oönskade övertoner – spurious passband vid högre frekvenser – ger lågpasssektionen en ren grund för de ytterligare kanalerna.

Lägga till stämda sidogrenar för extra band

Den andra och tredje kanalen skapas genom att ansluta resonanta sidogrenar, eller bandpassresonatorer, till lågpasslinjen. Varje resonator beter sig som en avstämd krets som starkt släpper igenom endast en smal frekvensportion – cirka 1,6 GHz för den första och 2,35 GHz för den andra – samtidigt som den framstår som "osynlig" för andra frekvenser. Författarna härleder återigen en förenklad kretsmodell och visar att ökad resonator-kapacitans låter dem förkorta de induktiva linjesektionerna utan att förskjuta målfrekvensen, vilket hjälper till att hålla hela enheten liten. Två sådana resonatorutrustade sektioner realiseras först som separata tvåkanalskretsar kallade diplexers och kombineras sedan för att bilda den slutliga trekanals-triplexern utan att använda ytterligare jordgenomföringar (vias), som annars kunde införa oönskade parasitiska effekter.

Finjustering av prestanda genom simulering och mätning

Med kommersiell elektromagnetisk simuleringsprogramvara optimerar teamet ett fåtal nyckellinjelängder för att balansera tre konkurrerande mål: låg förlust, stark separation mellan kanalerna och kompakt storlek. Små förändringar i dessa dimensioner kan förskjuta passbanden eller försvaga dem, och författarna kartlägger hur varje parameter påverkar responsen. De tillverkar sedan kretsen på ett lågförlustsubstrat och mäter dess beteende med en precisions-vektornätverksanalysator. De uppmätta insättningsförlusterna – hur mycket signal som absorberas eller reflekteras istället för att föras vidare – är endast 0,4 dB, 0,19 dB och 0,11 dB i de tre kanalerna, med reflektioner vid varje port hållna under −18 dB, vilket innebär att nästan all inkommande effekt levereras dit den ska. Skadligt signal-läckage mellan någon par av utgångar är bättre än ungefär −19 dB över driftområdet.

Vad detta betyder för framtida trådlösa enheter

Enkelt uttryckt fungerar den föreslagna triplexern som en exceptionellt prydlig trefaldig delare som kan separera tätt packade radiokanaler med mycket liten energiförlust och på mycket liten yta. Jämfört med tidigare konstruktioner erbjuder den mycket lägre förluster, bättre anpassning och ett mindre fotavtryck, samtidigt som den klarar tätare kanalavstånd. Denna kombination gör den attraktiv för trånga RF-fronter i 5G-basstationer, Internet-of-Things-noder och trådlösa energiskördningskretsar, där utrymmet är begränsat men effektivitet och signal kvalitet är avgörande. Designmetoden – att använda tydliga kretsmodeller för att vägleda miniaturisering och sedan förfina med noggrann optimering – ger också en vägkarta för ingenjörer som vill packa ännu fler frekvenskanaler i morgondagens kompakta trådlösa hårdvara.

Citering: 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

Nyckelord: microstrip-triplexer, lågpass-bandpass-filter, 5G RF-frontelektronik, multibands trådlöst, trådlös energiskördning