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

Questo articolo presenta un triplexer microstrip compatto che utilizza risonatori a loop aperto quadrati per ottenere un'elevata isolazione tra i canali superiore a 45 dB nelle bande a 2,2, 2,6 e 3,0 GHz per applicazioni 5G sub-6 GHz.

Autori originali: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Pubblicato 2026-08-17

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CC BY 4.0

Autori originali: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate che l'aria intorno a noi sia un'autostrada invisibile e frenetica, piena di onde radio. Queste onde trasportano i nostri messaggi, i nostri video e le nostre chiamate, ma viaggiano tutte a velocità diverse e su diverse "corsie" chiamate frequenze. In passato, il vostro telefono poteva avere una radio separata e minuscola per ogni singola corsia di cui aveva bisogno. Ma mentre la tecnologia corre in avanti, stipando sempre più corsie nello stesso spazio, gli ingegneri affrontano un problema complicato: come si costruisce un unico, minuscolo dispositivo in grado di ascoltare tre diverse corsie contemporaneamente senza che queste si scontrino tra loro? Questo è il mondo dell'ingegneria delle radiofrequenze, dove l'obiettivo è creare dei "controllori del traffico" in grado di smistare i segnali perfettamente. Se questi controllori sono troppo disordinati, la vostra videochiamata si blocca o la vostra musica salta. La chiave per risolvere questo problema è costruire un dispositivo capace di dividere un singolo segnale in tre percorsi distinti, mantenendoli così lontani tra loro da non riuscire mai ad "intavolare conversazioni" accidentali l'uno con l'altro.

Questo articolo presenta un nuovo design per un tale controllore del traffico, specificamente per le imminenti reti 5G che alimenteranno i nostri dispositivi futuri. I ricercatori, lavorando presso l'Università di Greenwich, hanno costruito un "triplexer" — una parola sofisticata per un dispositivo che divide un segnale in tre. Pensatelo come a un magico bivio a tre vie in una strada dove un'unica auto (il segnale) arriva e viene istantaneamente smistata in tre diverse corsie (2,2 GHz, 2,6 GHz e 3,0 GHz) senza mai rimanere bloccata o mescolarsi con le altre auto. Per farlo, hanno usato un trucco astuto che coinvolge i "risonatori a loop aperto a forma di quadrato". Immaginate di prendere un lungo filo dritto e di ripiegarlo in un anello quadrato stretto; questo fa sì che il filo agisca come una molla che vibra a una nota specifica, ma in uno spazio molto più piccolo. Disponendo questi anelli in tre gruppi separati, il team ha creato un dispositivo in grado di gestire tre diverse frequenze 5G simultaneamente.

La parte più entusiasmante del loro lavoro è quanto bene queste corsie rimangano separate. In molti design precedenti, i segnali a volte "perdevano" da una corsia all'altra, causando interferenze, proprio come sentire la radio di un vicino attraverso il muro. I ricercatori hanno simulato il loro design su un computer e hanno scoperto che il loro nuovo dispositivo mantiene le corsie incredibilmente silenziose. I segnali in una corsia sono bloccati dagli altri da un isolamento di oltre 45 decibel. Per mettere questo concetto in prospettiva, se il segnale in una corsia fosse un grido, il segnale che trapela nella corsia successiva sarebbe più silenzioso di un sussurro. Questo è un miglioramento significativo rispetto alla maggior parte degli altri design, che di solito riescono solo a mantenere il rumore intorno ai 20 o 25 decibel.

Il team non ha tirato a indovinare; ha eseguito dettagliate simulazioni al computer per dimostrare che la sua idea funziona. Hanno costruito un modello virtuale del loro triplexer su un tipo speciale di materiale per circuiti stampati e hanno testato come si comporta. I risultati hanno mostrato che il dispositivo è molto bravo nel suo lavoro: lascia passare i segnali corretti con pochissima perdita (solo circa 1 decibel di forza del segnale persa) e non riflette quasi nulla del segnale verso la sorgente. Sebbene si tratti attualmente di una simulazione al computer e non di un dispositivo fisico che abbiano costruito e testato in laboratorio, i numeri suggeriscono che, se lo costruissero, sarebbe un componente altamente efficiente e compatto, perfetto per la prossima generazione di tecnologia wireless. L'articolo sostiene che, utilizzando questo specifico design a loop quadrato e una speciale connessione a "giunzione a T", hanno risolto il problema della perdita di segnale meglio della maggior parte degli altri metodi attualmente disponibili, offrendo un modo più pulito e compatto per gestire le affollate onde radio del futuro.

Sintesi Tecnica: Triplexer Microstrip Compatto Utilizzando Risonatori a Anello Aperto Quadrati per Applicazioni 5G Sub-6 GHz

Problema
La rapida implementazione dei sistemi 5G New Radio (NR) sub-6 GHz, insieme alla coesistenza di reti LTE e Wi-Fi, ha creato una domanda critica di componenti di multiplexing passivi compatti ad alta isolazione. I moderni trasmettitori richiedono la capacità di instradare più canali di frequenza attraverso una singola porta d'antenna condivisa, minimizzando al contempo l'interferenza tra i canali e la degradazione del segnale. Sebbene i design esistenti di triplexer microstrip che utilizzano tecnologie quali i Risonatori a Impedenza Graduata (SIR), i Risonatori ad Anello Complementare (CSRR) e le celle a linea accoppiata offrano miniaturizzazione, essi soffrono frequentemente di un'isolazione inter-canale limitata, tipicamente compresa tra 20 dB e 25 dB. Tale livello di isolazione è spesso insufficiente per front-end multi-standard esigenti dove è richiesto un controllo rigoroso del crosstalk tra i canali. Inoltre, gli arrangiamenti di diplexer in cascata possono accumulare perdita di inserzione e complessità nelle reti di adattamento.

Metodologia
Gli autori propongono un triplexer microstrip compatto progettato per operare simultaneamente a 2,2 GHz, 2,6 GHz e 3,0 GHz, mirando a specifiche allocazioni 5G NR sub-6 GHz. La metodologia di progettazione segue un approccio sistematico:

Selezione del Risonatore: L'elemento costruttivo fondamentale è il Risonatore a Anello Aperto Quadrato (SOLR). Ripiegando un risonatore microstrip rettilineo a semilunghezza d'onda ( $\lambda_g/2$ ) in un anello quadrato con un gap di accoppiamento, la dimensione lineare si riduce a $\lambda_g/8$ . Questa geometria è implementata su un substrato ad alta permittività Rogers RT/Duroid 6010LM ( $\epsilon_r = 10,7$ , spessore = 1,27 mm) per ottenere compattezza fisica.
Sintesi del Filtro: Il triplexer comprende tre canali indipendenti di filtro passa-banda (BPF) Chebyshev a tre poli, per un totale di nove poli di risonanza. Ogni canale è sintetizzato da un prototipo lowpass normalizzato di Chebyshev con valori degli elementi $g_0 = g_4 = 1,0$ , $g_1 = g_3 = 0,8516$ e $g_2 = 1,1032$ . A ogni canale è assegnata una larghezza di banda frazionaria (FBW) del 3% e un'impedenza di sistema di 50 $\Omega$ .
Integrazione e Strategia di Isolazione: I tre canali di filtro sono integrati in una porta di ingresso comune tramite una giunzione a T. Una caratteristica chiave del design è la dimensionatura delle linee di trasmissione di collegamento (TL $_1$ , TL $_2$ , TL $_3$ ) a circa un quarto di lunghezza d'onda ( $\lambda_g/4$ ) alle rispettive frequenze centrali. Questa configurazione presenta una condizione di alta impedenza nel nodo di giunzione per i canali non desiderati, imponendo così la separazione fisica dei percorsi del segnale e massimizzando l'isolazione inter-canale senza l'uso di resistori ausiliari.
Simulazione: Il design è stato modellato utilizzando Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum per la simulazione elettromagnetica (EM) full-wave, assumendo conduttori in rame con uno spessore di 35 $\mu$ m.

Risultati Chiave
I risultati della simulazione EM full-wave dimostrano le seguenti metriche di prestazione del triplexer proposto:

Return Loss: Il dispositivo raggiunge return loss di 21,1 dB (2,2 GHz), 23,1 dB (2,6 GHz) e 22,8 dB (3,0 GHz), tutti superiori al benchmark di 20 dB per dispositivi a microonde ben adattati.
Perdita di Inserzione: Le perdite di inserzione registrate sono di 1,08 dB, 1,01 dB e 0,98 dB per i rispettivi canali, indicando prestazioni a bassa perdita per un dispositivo a nove poli.
Isolazione Inter-Canale: Il risultato più significativo è l'isolazione inter-canale, che supera i 45 dB per tutte le coppie di porte: 45,7 dB (S $_{32}$ ), 45,2 dB (S $_{42}$ ) e 45,7 dB (S $_{43}$ ).
Ingombro Fisico: L'intero circuito attivo occupa un volume di 69,45 mm $\times$ 39,7 mm sul substrato.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che l'isolazione inter-canale ottenuta, superiore a 45 dB, rappresenta un miglioramento significativo rispetto alla maggior parte dei design di triplexer microstrip recentemente riportati, che tipicamente faticano a superare i 20–25 dB nella gamma sub-6 GHz. Gli autori attribuiscono questa alta isolazione direttamente allo schema di integrazione a giunzione a T e all'uso di SOLR su un substrato ad alta permittività, piuttosto che affidarsi a filtraggio post-progettazione o strutture ausiliarie complesse.

Confrontando il design con lo stato dell'arte della letteratura (facendo riferimento ai lavori [5]–[10]), l'articolo posiziona questo triplexer come l'offerta con la più alta isolazione inter-canale riportata per i triplexer microstrip operanti nell'intervallo 2–4 GHz, con l'eccezione di design specializzati che mirano a frequenze molto più elevate. Il design è presentato come una soluzione simmetrica, controllabile e riproducibile che consolida le funzioni di filtraggio e routing in un unico dispositivo monolitico, riducendo così la complessità del circuito e la perdita di inserzione cumulativa rispetto agli arrangiamenti di diplexer in cascata. L'articolo conclude che il forte accordo tra il modello di circuito teorico e la simulazione EM valida la proposta metodologia di sintesi Chebyshev e di integrazione a giunzione a T.

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