用于现代射频通信系统的低损耗微带低通-带通三工器，具备紧邻通道设计

为何分离无线电信号很重要

每当你的手机、智能传感器或无线充电器进行无线通信时，各种不同的射频信号必须在同一小块硬件上共存。工程师需要按频率把这些信号整齐地分拣，才能让设备同时接收、发送甚至收集环境中的能量而不互相干扰。本文提出了一种非常紧凑的射频电路——低通-带通三工器，能够对现代通信和能量收集系统中使用的三个彼此靠得很近的频段实现这种分离。

为无线信号设立的三车道高速公路

作者设计了一种微带三工器，这是一种刻在薄板上的平面电路，可以将来自同一公共端口的信号分配到三条频率通道。一条是低通支路，可通过约 1.02 GHz 及以下的所有信号，另两条为分别以 1.6 GHz 和 2.35 GHz 为中心的带通支路。这些频段位于 5G 网络和无线供能系统常用的中频谱。该工作的突出之处在于三条通道在频率上非常靠近，但电路仍能将信号泄漏和损耗保持在极低水平，且占用面积仅约为导波长平方的 0.02——按射频标准非常小。

支撑该微型电路的构件

为实现这一点，研究人员从一个简单但精心选择的构件入手：一种由窄传输线周期性加载小型金属“补片单元”形成的低通滤波器。他们用由电感和电容构成的等效电路来描述该结构，从而可以写出滤波器截止频率的方程。通过增大补片电容，他们能够缩短所需的电感传输线长度，在保持截止频率接近 1.02 GHz 的同时实现布局小型化。因为这种分析还抑制了不需要的谐波——即高频处的虚假通带，低通部分为附加通道提供了干净的基础。

为额外频段添加调谐旁路

第二和第三通道是通过将谐振旁支或带通谐振器连接到低通传输线上实现的。每个谐振器像一个调谐电路，只强烈通过一小段频率——第一路约 1.6 GHz，第二路约 2.35 GHz——而对其他频率则表现为“不可见”。作者再次推导出简化的电路模型，表明增大谐振器电容可以在不改变目标频率的前提下缩短电感线段，这有助于整个器件的小型化。两个配备谐振器的部分首先作为独立的两通道电路（称为双工器）实现，然后在不使用额外接地通孔的情况下组合为最终的三通道三工器，以避免引入不希望的寄生效应。

通过仿真和测量微调性能

研究团队使用商用电磁仿真软件，优化若干关键线长，以在三项相互冲突的目标之间取得平衡：低损耗、通道之间的强隔离和紧凑体积。尺寸的微小变化会移动或削弱通带，作者绘制了每个参数对响应影响的关系图。随后他们在低损耗基板上制作电路，并使用精密矢量网络分析仪测量其行为。三路的实测插入损耗仅为 0.4 dB、0.19 dB 和 0.11 dB，且每个端口的反射低于 −18 dB，这意味着几乎所有入射功率都被送达目标端口。任意一对输出之间的有害信号泄漏在工作范围内保持优于约 −19 dB。

对未来无线设备的意义

通俗地说，所提出的三工器就像一个异常整洁的三路分配器，能够以极少的能量浪费和非常小的面积分离紧密排列的无线电通道。与早期设计相比，它提供了更低的损耗、更好的匹配和更小的占地，同时还能处理更紧的通道间隔。这些特性使其对 5G 基站、物联网节点和无线能量收集电路等拥挤的射频前端具有吸引力——这些场景中空间有限但效率和信号质量至关重要。该设计方法——先用清晰的电路模型指导小型化，然后通过精细优化加以完善——也为想在未来紧凑无线硬件中容纳更多频率通道的工程师提供了一条路线图。

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

关键词: 微带三工器, 低通-带通滤波器, 5G 射频前端, 多频段无线, 无线能量收集