⚡ electrical engineering

Compact Microstrip Triplexer Using Square Open-Loop Resonators with High Isolation for 5G Sub-6 GHz Applications

تقدم هذه الورقة جهاز ثلاثي الترددات (triplexer) مدمجاً من الخطوط الدقيقة يستخدم رنانات ذات حلقة مفتوحة مربعة لتحقيق عزل عالٍ بين القنوات يتجاوز 45 ديسيبل عبر نطاقات 2.2 و2.6 و3.0 جيجاهرتز لتطبيقات الجيل الخامس (5G) ضمن نطاق الترددات الفرعية الأقل من 6 جيجاهرتز (sub-6 GHz).

المؤلفون الأصليون: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

نُشر 2026-08-17

📖 3 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أن الهواء من حولنا هو طريق سريع صاخب وغير مرئي مليء بموجات الراديو. تحمل هذه الموجات رسائلنا النصية، وفيديوهاتنا، ومكالماتنا، لكنها جميعاً تسير بسرعات مختلفة وعلى "حارات" مختلفة تسمى الترددات. في الماضي، ربما كان هاتفك يحتوي على راديو صغير منفصل لكل حارة يحتاج إلى استخدامها. ولكن مع تسابق التكنولوجيا للأمام، وحشد المزيد والمزيد من الحارات في نفس المساحة، يواجه المهندسون مشكلة معقدة: كيف تبني جهازاً واحداً صغيراً يمكنه الاستماع إلى ثلاث حارات مختلفة في وقت واحد دون أن تصطدم ببعضها البعض؟ هذا هو عالم هندسة الترددات اللاسلكية، حيث الهدف هو إنشاء "مراقبين لحركة المرور" يقومون بفرز الإشارات بشكل مثالي. إذا كان هؤلاء المراقبون فوضويين للغاية، فستتجمد مكالمة الفيديو الخاصة بك، أو تتوقف موسيقاك عن العمل. المفتاح لحل هذه المشكلة هو بناء جهاز يمكنه تقسيم إشارة واحدة إلى ثلاثة مسارات متميزة، مع إبقائها بعيدة جداً عن بعضها البعض بحيث لا تتحدث مع بعضها البعض بالخطأ أبداً.

تقدم هذه الورقة بحثاً لتصميم جديد لمثل هذا المراقب لحركة المرور، وتحديداً لشبكات الجيل الخامس (5G) القادمة التي ستشغل أجهزتنا المستقبلية. لقد قام الباحثون، الذين يعملون في جامعة غرينتش، ببناء "مُضاعف ثلاثي" (triplexer) — وهي كلمة منمقة لجهاز يقسم إشارة واحدة إلى ثلاثة. فكر في الأمر كأنه مفترق طرق سحري ثلاثي المسارات حيث تصل سيارة واحدة (الإشارة) ويتم فرزها فوراً إلى ثلاث حارات مختلفة (2.2 جيجاهرتز، و2.6 جيجاهرتز، و3.0 جيجاهرتز) دون أن تتعثر أو تختلط مع السيارات الأخرى أبداً. وللقيام بذلك، استخدموا خدعة ذكية تتضمن "رنانات مربعة مفتوحة الحلقة". تخيل أخذ قطعة سلك طويلة ومستقيمة وطيها على شكل حلقة مربعة ضيقة؛ هذا يجعل السلك يعمل مثل زنبرك يهتز عند نغمة معينة، ولكن في مساحة أصغر بكثير. ومن خلال ترتيب هذه الحلقات في ثلاث مجموعات منفصلة، أنشأ الفريق جهازاً يمكنه التعامل مع ثلاثة ترددات مختلفة للجيل الخامس في آن واحد.

الجزء الأكثر إثارة في عملهم هو مدى جودة بقاء هذه الحارات منفصلة. في العديد من التصميمات السابقة، كانت الإشارات "تتسرب" أحياناً من حارة إلى أخرى، مما يسبب تداخلاً، تماماً مثل سماع راديو جارك عبر الجدار. قام الباحثون بمحاكاة تصميمهم على جهاز كمبيوتر ووجدوا أن جهازهم الجديد يحافظ على هدوء الحارات بشكل مذهف. يتم حجب الإشارات في حارة واحدة عن الحارات الأخرى بأكثر من 45 ديسيبل من العزل. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فإذا كانت الإشارة في حارة واحدة بمستوى صرخة، فإن الإشارة المتسربة إلى الحارة التالية ستكون أخفت من الهمس. وهذا يمثل تحسناً كبيراً عن معظم التصميمات الأخرى، التي عادة ما تنجح فقط في إبقاء الضجيج عند حوالي 20 أو 25 ديسيبل.

لم يكتفِ الفريق بالتخمين؛ بل أجروا عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لإثبات أن فكرتهم تعمل. لقد بنوا نموذجاً افتراضياً لهذا "المضاعف الثلاثي" على نوع خاص من مواد لوحات الدوائر الكهربائية واختبروا كيفية أدائه. وأظهرت النتائج أن الجهاز بارع جداً في مهمته: فهو يسمح بمرور الإشارات الصحيحة مع فقدان ضئيل جداً في قوة الإشارة (حوالي 1 ديسيبل فقط)، ولا يعكس تقريباً أي جزء من الإشارة عائداً إلى المصدر. وبينما يعد هذا حالياً محاكاة حاسوبية وليس جهازاً مادياً قاموا ببنائه واختباره في المختبر بعد، إلا أن الأرقام تشير إلى أنه إذا قاموا ببنائه، فسيكون مكوناً عالي الكفاءة ومدمجاً مثالياً للجيل القادم من التكنولوجيا اللاسلكية. وتجادل الورقة بأنه باستخدام هذا التصميم المحدد للحلقات المربعة واتصال "وصلة T" الخاص، فقد حلوا مشكلة تسرب الإشارات بشكل أفضل من معظم الطرق الأخرى المتاحة حالياً، مما يوفر طريقة أكثر نظافة وتماسكاً لإدارة الموجات الهوائية المزدحمة في المستقبل.

ملخص تقني: مجمع ثلاثي (Triplexer) دقيق من الخطوط الدقيقة باستخدام رنانات الحلقة المفتوحة المربعة لتطبيقات الجيل الخامس (5G) في نطاق الترددات تحت 6 جيجاهرتز

بيان المشكلة
أدى الانتشار السريع لأنظمة الجيل الخامس (5G NR) في نطاق الترددات تحت 6 جيجاهرتز، جنباً إلى جنب مع تعايش شبكات LTE وWi-Fi، إلى خلق طلب حاسم على مكونات تعدد الإرسال السلبية المدمجة ذات العزل العالي. تتطلب أجهزة الإرس والاستقبال الحديثة القدرة على توجيه قنوات ترددية متعددة عبر منفذ هوائي مشترك واحد مع تقليل التداخل بين القنوات وتدهور الإشارة إلى أدنى حد. وبينما تهدف تصاميم المجمعات الثلاثية (Triplexer) الحالية للخطوط الدقيقة (Microstrip)، والتي تستخدم تقنيات مثل الرنانات ذات المعاوقة المتدرجة (SIRs)، والرنانات الحلقية المكملة (CSRRs)، وخلايا الخطوط المقترنة، إلى التصغير، إلا أنها غالباً ما تعاني من عزل محدود بين القنوات، يتراوح عادةً بين 20 ديسيبل و25 ديسيبل. وهذا المستوى من العزل غالباً ما يكون غير كافٍ للواجهات الأمامية متعددة المعايير التي تتطلب تحكماً صارماً في التداخل بين القنوات. علاوة على ر ذلك، فإن ترتيبات المجمعات الثنائية (Diplexers) المتتالية قد تؤدي إلى تراكم فقد الإدخال وتعقيد شبكة المطابقة.

المنهجية
يقترح المؤلفون مجمعاً ثلاثياً دقيقاً من الخطوط الدقيقة مصمماً للعمل في وقت واحد عند ترددات 2.2 جيجاهرتز، و2.6 جيجاهرتز، و3.0 جيجاهرتز، مستهدفاً تخصيصات محددة لنطاق الجيل الخامس (5G NR) تحت 6 جيجاهرتز. تتبع منهجية التصميم نهجاً نظامياً:

اختيار الرنان: الوحدة البنائية الأساسية هي الرنان ذو الحلقة المفتوحة المربعة (SOLR). ومن خلال طي رنان خط دقيق نصف طول موجي ( $\lambda_g/2$ ) إلى حلقة مربعة مع فجوة اقتران، يتم تقليل البعد الخطي إلى $\lambda_g/8$ . تم تنفيذ هذا الشكل الهندسي على ركيزة Rogers RT/Duroid 6010LM عالية السماحية الكهربائية ( $\epsilon_r = 10.7$ ، السمك = 1.27 مم) لتحقيق صغر الحجم الفيزيائي.
تخليق المرشح: يتكون المجمع الثلاثي من ثلاثة قنوات مستقلة لمرشحات تمرير النطاق (BPF) من نوع تشيبيشيف (Chebyshev) ثلاثية الأقطاب، بإجمالي تسعة أقطاب رنانة. تم تخليق كل قناة من نموذج أولي منخفض التمرير (Lowpass) معيارى من نوع تشيبيشيف بقيم عناصر هي: $g_0 = g_4 = 1.0$ ، و $g_1 = g_3 = 0.8516$ ، و $g_2 = 1.1032$ . تم تخصيص عرض نطاق كسري (FBW) قدره 3% لكل قناة ومعاوقة نظام تبلغ 50 أوم.
التكامل واستراتيجية العزل: تم دمج قنوات المرشح الثلاث في منفذ إدخال مشترك عبر وصلة على شكل حرف T (T-junction). الميزة الرئيسية هي تحديد أبعاد خطوط النقل المتصلة (TL $_1$ ، TL $_2$ ، TL $_3$ ) لتكون تقريباً ربع طول موجي ( $\lambda_g/4$ ) عند ترددات مركزها الخاص. يوفر هذا التكوين حالة معاوقة عالية عند عقدة الوصلة للقنوات غير المقصودة، مما يفرض فصلاً في مسارات الإشارة ويعظم العزل بين القنوات دون الحاجة إلى مقاومات مساعدة.
المحاكاة: تمت نمذجة التصميم باستخدام برنامج Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum لمحاكاة الكهرومغناطيسية كاملة الموجة، بافتراض موصلات نحاسية بسمك 35 ميكرومتر.

النتائج الرئيسية
تظهر نتائج محاكاة الموجة الكاملة (Full-wave EM simulation) لمقاييس أداء المجمع الثلاثي المقترح ما يلي:

فقد العودة (Return Loss): يحقق الجهاز فقد عودة قدره 21.1 ديسيبل (2.2 جيجاهرتز)، و23.1 ديسيبل (2.6 جيجاهرتز)، و22.8 ديسيبل (3.0 جيجاهرتز)، وكلها تتجاوز المعيار المرجعي البالغ 20 ديسيبل للأجهزة ذات المطابقة الجيدة.
فقد الإدخال (Insertion Loss): سُجلت قيم فقد الإدخال عند 1.08 ديسيبل، و1.01 ديسيبل، و0.98 ديسيبل للقنوات المعنية على التوالي، مما يشير إلى أداء منخفض الفقد لجهاز مكون من تسعة أقطاب.
العزل بين القنوات: النتيجة الأكثر أهمية هي العزل بين القنوات، والذي يتجاوز 45 ديسيبل عبر جميع أزواج المنافذ: 45.7 ديسيبل (S $_{32}$ )، و45.2 ديسيبل (S $_{42}$ )، و45.7 ديسيبل (S $_{43}$ ).
البصمة الفيزيائية: يشغل الدائرة النشطة الكاملة صندوقاً محيطاً بأبعاد 69.45 مم $\times$ 39.7 مم على الركيزة.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن تحقيق عزل بين القنوات يتجاوز 45 ديسيبل يمثل تحسناً كبيراً مقارنة بمعظم تصاميم المجمعات الثلاثية للخطوط الدقيقة المبلغ عنها مؤخراً، والتي تكافح عادةً لتجاوز 20-25 ديسيبل في نطاق تحت 6 جيجاهرتز. ويعزو المؤلفون هذا العزل العالي مباشرة إلى مخطط دمج وصلة T واستخدام رنانات SOLR على ركيزة عالية السماحية، بدلاً من الاعتماد على ترشيح ما بعد التصميم أو الهياكل المساعدة المعقدة.

من خلال مقارنة التصميم مع أحدث الأدبيات (بالإشارة إلى الأعمال [5]–[10])، يضع هذا البحث المجمع الثلاثي كحل يقدم أعلى عزل مسجل للمجمعات الثلاثية للخطوط الدقيقة التي تعمل في نطاق 2–4 جيجاهرتز، باستثناء التصاميم المتخصصة التي تستهدف ترددات أعلى بكثير. يُقدم التصميم كحل متماثل، وقابل للتحكم، وقابل للتكرار، يقوم بدمج وظائف الترشيح والتوجيه في جهاز واحد متجانس، مما يقلل من تعقيد الدائرة وفقد الإدخال التراكمي مقارنة بترتيبات المجمعات الثنائية المتتالية. ويخلص البحث إلى أن الاتفاق القوي بين نموذج الدائرة النظري ومحاكاة الموجة الكاملة يؤكد صحة منهجية تخليق تشيبيشيف ودمج وصلة T المقترحة.

أبحاث مشابهة