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

Ce document présente un triplexeur micro-ruban compact utilisant des résonateurs à boucle ouverte carrés pour atteindre une isolation inter-canaux élevée dépassant 45 dB sur les bandes de 2,2, 2,6 et 3,0 GHz pour les applications 5G sub-6 GHz.

Auteurs originaux : Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Publié 2026-08-17

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que l'air qui nous entoure soit une autoroute invisible et animée, remplie d'ondes radio. Ces ondes transportent nos messages, nos vidéos et nos appels, mais elles voyagent toutes à des vitesses différentes et sur des « voies » différentes appelées fréquences. Par le passé, votre téléphone possédait peut-être une radio minuscule et distincte pour chaque voie dont il avait besoin. Mais alors que la technologie progresse à toute allure, compressant de plus en plus de voies dans le même espace, les ingénieurs sont confrontés à un problème délicat : comment construire un appareil unique et minuscule capable d'écouter trois voies différentes à la fois sans qu'elles ne s'entrechoquent ? C'est le monde de l'ingénierie des radiofréquences, où l'objectif est de créer des « contrôleurs de trafic » qui trient les signaux parfaitement. Si ces contrôleurs sont trop désordonnés, votre appel vidéo se fige ou votre musique saute. La clé pour résoudre ce problème est de construire un dispositif capable de diviser un seul signal en trois chemins distincts, en les gardant suffisamment éloignés pour qu'ils ne se parlent jamais accidentellement.

Ce document présente un nouveau design pour un tel contrôleur de trafic, spécifiquement pour les futurs réseaux 5G qui alimenteront nos futurs appareils. Les chercheurs, travaillant à l'Université de Greenwich, ont construit un « triplexeur » — un mot sophistiqué pour désigner un dispositif qui divise un signal en trois. Voyez cela comme une magique bifurcation à trois voies où une seule voiture (le signal) arrive et est instantanément répartie dans trois voies différentes (2,2 GHz, 2,6 GHz et 3,0 GHz) sans jamais rester coincée ou se mélanger aux autres voitures. Pour ce faire, ils ont utilisé une astuce ingénieuse impliquant des « résonateurs à boucle ouverte carrée ». Imaginez que vous preniez un long fil droit et que vous le pliiez en une boucle carrée serrée ; cela fait agir le fil comme un ressort qui vibre à une note spécifique, mais dans un espace beaucoup plus petit. En disposant ces boucles en trois groupes distincts, l'équipe a créé un dispositif capable de gérer trois fréquences 5G différentes simultanément.

La partie la plus excitante de leur travail est la qualité de la séparation de ces voies. Dans de nombreux modèles précédents, les signaux pouvaient parfois « fuiter » d'une voie à l'autre, provoquant des interférences, un peu comme si l'on entendait la radio du voisin à travers le mur. Les chercheurs ont simulé leur design sur un ordinateur et ont constaté que leur nouveau dispositif maintient les voies incroyablement calmes. Les signaux d'une voie sont bloqués par rapport aux autres par plus de 45 décibels d'isolation. Pour donner un ordre d'idée, si le signal d'une voie était un cri, le signal fuyant dans la voie suivante serait plus silencieux qu'un chuchotement. Il s'agit d'une amélioration significative par rapport à la plupart des autres conceptions, qui ne parviennent généralement qu'à maintenir le bruit à environ 20 ou 25 décibels.

L'équipe n'a pas seulement deviné ; elle a réalisé des simulations informatiques détaillées pour prouver que son idée fonctionne. Ils ont construit un modèle virtuel de leur triplexeur sur un type spécial de matériau de circuit imprimé et ont testé ses performances. Les résultats ont montré que le dispositif est très efficace : il laisse passer les bons signaux avec très peu de perte (seulement environ 1 décibel de perte de force de signal) et n'en réfléchit presque aucun vers la source. Bien qu'il s'agisse actuellement d'une simulation informatique et non d'un dispositif physique qu'ils auraient construit et testé en laboratoire, les chiffres suggèrent que s'ils le fabriquaient, ce serait un composant hautement efficace et compact, parfait pour la prochaine génération de technologie sans fil. L'article soutient qu'en utilisant ce design spécifique de boucle carrée et une connexion spéciale en « T », ils ont résolu le problème de la fuite de signal mieux que la plupart des autres méthodes actuellement disponibles, offrant une façon plus propre et plus compacte de gérer les ondes saturées du futur.

Résumé Technique : Triplexeur Microstrip Compact utilisant des Résonateurs à Boucle Ouverte Carrée pour les Applications 5G Sub-6 GHz

Énoncé du Problème
Le déploiement rapide des systèmes 5G New Radio (NR) sub-6 GHz, parallèlement à la coexistence des réseaux LTE et Wi-Fi, a créé une demande critique pour des composants de multiplexage passifs compacts à haute isolation. Les émetteurs-récepteurs modernes nécessitent la capacité d'acheminer plusieurs canaux de fréquence via un port d'antenne partagé unique tout en minimisant l'interférence entre canaux et la dégradation du signal. Bien que les conceptions existantes de triplexeurs microstrip utilisant des technologies telles que les résonateurs à impédance échelonnée (SIR), les résonateurs à anneaux fendus complémentaires (CSRR) et les cellules de lignes couplées permettent la miniaturisation, elles souffrent fréquemment d'une isolation inter-canaux limitée, se situant typiquement entre 20 dB et 25 dB. Ce niveau d'isolation est souvent insuffisant pour les fronts de transmission multi-standards exigeants où un contrôle rigoureux de la diaphonie entre canaux est requis. De plus, les arrangements de diplexeurs en cascade accumulent l'affaiblissement d'insertion et la complexité des réseaux d'adaptation.

Méthodologie
Les auteurs proposent un triplexeur microstrip compact conçu pour fonctionner simultanément à 2,2 GHz, 2,6 GHz et 3,0 GHz, ciblant des allocations spécifiques de la 5G NR sub-6 GHz. La méthodologie de conception suit une approche systématique :

Sélection du Résonateur : Le bloc de construction central est un résonateur à boucle ouverte carrée (SOLR). En repliant un résonateur microstrip droit de demi-longueur d'onde ( $\lambda_g/2$ ) en une boucle carrée avec un espace de couplage, la dimension linéaire est réduite à $\lambda_g/8$ . Cette géométrie est implémentée sur un substrat à haute permittivité Rogers RT/Duroid 6010LM ( $\epsilon_r = 10,7$ , épaisseur = 1,27 mm) pour atteindre une compacité physique.
Synthèse de Filtre : Le triplexeur comprend trois canaux de filtre passe-bande (BPF) de Chebyshev à trois pôles indépendants, totalisant neuf pôles de résonateur. Chaque canal est synthétisé à partir d'un prototype passe-bas de Chebyshev normalisé avec des valeurs d'éléments $g_0 = g_4 = 1,0$ , $g_1 = g_3 = 0,8516$ et $g_2 = 1,1032$ . Chaque canal se voit assigner une largeur de bande fractionnaire (FBW) de 3 % et une impédance système de 50 $\Omega$ .
Intégration et Stratégie d'Isolation : Les trois canaux de filtre sont intégrés à un port d'entrée commun via une jonction en T. Une caractéristique clé de la conception est le dimensionnement des stubs de ligne de transmission connecteurs (TL $_1$ , TL $_2$ , TL $_3$ ) à environ un quart de longueur d'onde ( $\lambda_g/4$ ) à leurs fréquences centrales respectives. Cette configuration présente une condition d'impédance élevée au nœud de la jonction pour les canaux non destinés, imposant ainsi une séparation physique des chemins de signaux et maximisant l'isolation inter-canaux sans résistances auxiliaires.
Simulation : La conception a été modélisée à l'aide de Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum pour une simulation électromagnétique (EM) à ondes complètes, en supposant des conducteurs en cuivre d'une épaisseur de 35 $\mu$ m.

Résultats Clés
Les résultats de la simulation EM à ondes complètes pour le triplexeur proposé démontrent les métriques de performance suivantes :

Perte de Retour : Le dispositif atteint des pertes de retour de 21,1 dB (2,2 GHz), 23,1 dB (2,6 GHz) et 22,8 dB (3,0 GHz), dépassant toutes le seuil de référence de 20 dB pour les dispositifs micro-ondes bien adaptés.
Affaiblissement d'Insertion : Les affaiblissements d'insertion enregistrés sont de 1,08 dB, 1,01 dB et 0,98 dB pour les canaux respectifs, indiquant une performance de faible perte pour un dispositif à neuf pôles.
Isolation Inter-Canaux : Le résultat le plus significatif est l'isolation inter-canaux, qui dépasse 45 dB pour toutes les paires de ports : 45,7 dB (S $_{32}$ ), 45,2 dB (S $_{42}$ ) et 45,7 dB (S $_{43}$ ).
Empreinte Physique : Le circuit actif complet occupe un volume de 69,45 mm $\times$ 39,7 mm sur le substrat.

Signification et Revendications
L'article affirme que l'isolation inter-canaux obtenue de plus de 45 dB représente une amélioration significative par rapport à la majorité des conceptions de triplexeurs microstrip récemment rapportées, qui peinent généralement à dépasser 20–25 dB dans la plage sub-6 GHz. Les auteurs attribuent cette haute isolation directement au schéma d'intégration de la jonction en T et à l'utilisation de SOLR sur un substrat à haute permittivité, plutôt qu'à un filtrage post-conception ou à des structures auxiliaires complexes.

En comparant la conception à l'état de l'art de la littérature (référence aux travaux [5]–[10]), l'article positionne ce tripleseur comme offrant l'isolation inter-canaux la plus élevée rapportée pour les triplexeurs microstrip opérant dans la plage 2–4 GHz, à l'exception des conceptions spécialisées ciblant des fréquences beaucoup plus élevées. La conception est présentée comme une solution symétrique, contrôlable et reproductible qui consolide les fonctions de filtrage et de routage en un seul dispositif monolithique, réduisant ainsi la complexité du circuit et l'affaiblissement d'insertion cumulé par rapport aux arrangements de diplexeurs en cascade. L'article conclut que le fort accord entre le modèle de circuit théorique et la simulation EM valide la synthèse de Chebyshev et la méthodologie d'intégration de la jonction en T proposées.

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