⚡ electrical engineering

A Triple-Band Bandpass Filter Using Square Open-Loop Resonators

Dit artikel presenteert het ontwerp, de simulatie en de karakterisering van een compacte driebandige banddoorlaatfilter werkend op 2,1 GHz, 2,2 GHz en 2,3 GHz met behulp van negen vierkante open-lus resonatoren op een Rogers RT/Duroid 6010LM substraat, waarbij een hoge prestatie met lage invoegverliezen wordt aangetoond en de effectiviteit van deze resonator-transformatietechniek voor moderne multiband draadloze systemen wordt gevalideerd.

Oorspronkelijke auteurs: Rashmi Ravi, Bhaskarareddy N C, Augustine O. Nwajana

Gepubliceerd 2026-07-07

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Rashmi Ravi, Bhaskarareddy N C, Augustine O. Nwajana

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je op een druk treinstation bent waar drie verschillende treinen (signalen) precies op hetzelfde moment moeten aankomen en vertrekken, maar ze rijden allemaal op sporen die gevaarlijk dicht bij elkaar liggen. Als de sporen niet perfect van elkaar gescheiden zijn, kunnen de treinen tegen elkaar botsen, of kunnen de verkeerde passagiers in de verkeerde trein stappen.

In de wereld van draadloze technologie (zoals je telefoon of Wi-Fi), zijn deze "treinen" radiosignalen en zijn de "sporen" frequentiebanden. Ingenieurs hebben een speciale poortwachter nodig om ervoor te zorgen dat alleen de juiste signalen doorlaten terwijl de rest wordt geblokkeerd. Deze poortwachter wordt een Banddoorlaatfilter (Bandpass Filter) genoemd.

Hier is een eenvoudige uitsplitsing van wat Rashmi Ravi en haar team aan de University of Greenwich hebben bereikt in dit artikel:

1. Het Probleem: Te veel treinen, te weinig ruimte

Traditioneel gezien, als je drie verschillende signalen wilde verwerken, zouden ingenieurs drie aparte, omvangrijke poorten bouwen en deze aan elkaar koppelen. Dit is als het bouwen van drie afzonderlijke ticketbalies voor drie verschillende treinen. Het neemt veel ruimte in beslag en vertraagt alles (wat zorgt voor signaalverlies).

De auteurs wilden één enkele, compacte poort bouwen die drie specifieke treinen tegelijkertijd kan afhandelen zonder dat ze op elkaar botsen.

2. De Oplossing: Een "Magische" Nueve-Sporen Poort

Het team ontwierp een Triple-Band Banddoorlaatfilter. Denk hierbij aan een enkele, zeer intelligente controlepost die drie verschillende groepen passagiers tegelijkertijd kan sorteren.

Het Doel: Ze wilden signalen sorteren op drie zeer specifieke frequenties: 2,1 GHz, 2,2 GHz en 2,3 GHz. Dit zijn als drie treinen die aankomen met slechts 100 miljoen seconden verschil — heel dicht bij elkaar, wat het werk erg moeilijk maakt.
Het Gereedschap: Ze gebruikten een speciale vorm genaamd een Square Open-Loop Resonator (Vierkante Open-Loop Resonator). Stel je een vierkant racecircuit voor met een kleine opening erin. Wanneer een signaal dit circuit raakt, "zingt" het als een bel bij een specifieke toonhoogte. Door deze circuits precies zo te rangschikken, kunnen ze specifieke toonhoogtes opvangen.
Het Ontwerp: Ze hebben niet zomaar drie aparte circuits gebouwd. Ze namen het ontwerp voor één circuit (dat van de 2,2 GHz-frequentie) en "rekten" en "krompen" dit wiskundig om twee extra circuits te cren voor de andere frequenties. Vervolgens combineerden ze deze in één apparaat met behulp van negen van deze vierkante circuits (drie voor elke frequentie).

3. Hoe ze het hebben gebouwd

Ze hebben nog geen fysiek prototype gebouwd; ze hebben een perfect digitaal model gebouwd met krachtige computersoftware (Keysight ADS).

Het Materiaal: Ze ontwierpen het om geprint te worden op een speciale hightech printplaat genaamd Rogers RT/Duroid 6010LM. Denk aan dit als een zeer gladde, hoogwaardige weg die de signalen snel laat reizen zonder dat ze moe worden (energie verliezen).
De Afstemming: Ze moesten de afstand tussen de vierkante circuits zeer precies aanpassen. Als de circuits te dicht bij elkaar lagen, zouden de signalen mengen. Als ze te ver uit elkaar lagen, zouden de signalen niet doorlaten. Ze vonden de "Goldilocks"-afstand (ongeveer 0,75 mm tot 1,25 mm) om de magie te laten werken.

4. De Resultaten: Een Perfecte Prestatie

Toen ze de simulatie uitvoerden, waren de resultaten indrukwekkend:

Laag Verlies (Hoge Efficiëntie): De signalen kwamen door met zeer weinig energieverlies. Het is alsof de treinen door de poort passeren met bijna geen wrijving. Het "verlies" was minder dan 1,4 dB voor alle drie de banden (een zeer goede score).
Hoge Precisie (Geweldige Sortering): Het filter was ongelooflijk goed in het afwijzen van de verkeerde signalen.
- Voor de middelste trein (2,2 GHz) was het filter zo precies dat het een return loss van 33,6 dB behaalde. In alledaagse termen betekent dit dat het bijna perfect was in het zeggen van "Nee" tegen elk signaal dat daar niet hoorde te zijn. Het presteerde beter dan veel andere ontwerpen die in de wetenschappelijke literatuur worden gevonden.
- De andere twee banden (2,1 en 2,3 GHz) presteerden ook erg goed, hoewel iets minder perfect dan de middelste, simpelweg omdat het hele ontwerp rond de middelste track was geoptimaliseerd.

5. Waarom dit ertoe doet

Het artikel beweert dat dit ontwerp uniek is omdat:

Het Compact is: Het doet het werk van drie afzonderlijke filters in één klein pakketje.
Het Slim is: Het gebruikt een slimme wiskundige truc om één ontwerp om te zetten in drie, in plaats van drie vanaf nul te bouwen.
Het Klaar is voor de Toekomst: Het handelt frequenties af die worden gebruikt door moderne 4G, UMTS en vroege 5G-netwerken.

Samenvattend:
De auteurs hebben een digitaal blauwdruk gemaakt voor een kleine, super-efficiënte verkeersregelaar voor radiogolven. Deze "agent" kan bij een druk kruispunt staan en drie zeer vergelijkbare signalen perfect sorteren zonder dat ze op elkaar botsen, terwijl hij ook nog eens heel weinig ruimte inneemt. Hoewel het artikel zich richt op de computersimulatie (het blauwdruk), hebben de auteurs van plan om als volgende stap de fysieke versie te bouwen om te bewijzen dat het in de echte wereld werkt.

Technische Samenvatting: Een driebandige banddoorlaatfilter met vierkante open-lus resonantoren

Probleemstelling
De snelle evolutie van draadloze communicatiesystemen (4G LTE, UMTS, 5G, Wi-Fi) vereist compacte, hoogwaardige componenten die gelijktijdig over meerdere frequentiebanden kunnen opereren. Conventionele benaderingen voor het bereiken van multiband-werking omvatten doorga af het cascadeer van meerdere enkelbandfilters. Deze methode vergroot echter de fysieke voetafdruk van de RF-front-end, introduceert hogere insertieverliezen en voegt systeemcomplexiteit toe. Er is een duidelijke behoefte aan geïntegreerde multiband banddoorlaatfilters (BPF's) die specifieke frequentiebanden binnen een breder spectrum kunnen isoleren, terwijl een compacte vormfactor en hoge prestaties behouden blijven.

Methodologie
De auteurs stellen een ontwerpmethodologie voor gebaseerd op de transformatie van een enkelband BPF naar een drieband BPF met microstrip vierkante open-lus resonantoren. Het proces omvat de volgende stappen:

Theoretisch Circuitontwerp: Het ontwerp begint met een standaard genormaliseerderde Chebyshev laagdoorlaatprototype ( $g_0=1, g_1=g_3=0.8516, g_2=1.1032, g_4=1$ ). Dit wordt getransformeerd naar een enkelband BPF gecentreerd op 2,2 GHz met een fractionele bandbreedte (FBW) van 6% en een 50 Ω karakteristieke impedantie. Het circuit wordt aanvankelijk gemodelleerd met een alleen-condensator netwerk om componentwaarden (serie-inductie $L_1$ , capaciteit $C_1$ en koppelingscapaciteiten) te bepalen.
Multiband Transformatie: Om drieband-werking te bereiken, worden twee aanvullende filtervertakkingen afgeleid van het enkelbandontwerp, gericht op centrumfrequenties van 2,1 GHz en 2,3 GHz. De drie vertakkingen worden aan elkaar gekoppeld om een negen-polig filter te vormen (drie resonantoren per doorlaatband).
Parameterextractie: Theoretische wederzijdse koppelingscoëfficiënten ( $M$ ) en externe kwaliteitsfactoren ( $Q_e$ ) worden berekend op basis van het Chebyshev-prototype en de 6% FBW. Deze theoretische waarden ( $K=0.0619$ en $Q_e=14.1933$ ) dienen als doelstellingen voor de fysieke lay-out.
Fysieke Implementatie: Het filter wordt geïmplementeerd op een Rogers RT/Duroid 6010LM substraat ( $\epsilon_r = 10,7$ , $\tan \delta = 0,0023$ , dikte = 1,27 mm). Het ontwerp maakt gebruik van negen vierkante open-lus resonantoren.
Simulatie en Optimalisatie: De lay-out wordt geconstrueerd en gesimuleerd met de Keysight Advanced Design System (ADS) elektromagnetische (EM) software. Praktische koppelingsafstanden ( $s$ ) en aftaplengtes ( $t$ ) worden iteratief aangepast in de EM-simulatie om de theoretische koppelingscoëfficiënten en externe kwaliteitsfactoren te evenaren. Drie specifieke resonatororiëntaties werden geanalyseerd om de vereiste koppelingsafstand te extraheren.

Belangrijkste Bijdragen

Transformatietechniek: Het artikel demonstreert een reproduceerbare techniek voor het uitbreiden van een enkelband BPF-ontwerp naar een drieband BPF door de wederzijdse koppelingsnetwerkstructuur te behouden terwijl extra resonatorvertakkingen worden toegevoegd.
Compacte Integratie: Het gebruik van vierkante open-lus resonantoren maakt een compacte voetafdruk mogelijk die geschikt is voor integratie in moderne communicatieapparaten.
Operationeel Nauw Bereik: Het ontwerp slaagt er succesvol in om drie gelijktijdige doorlaatbanden te realiseren binnen een nauwe spanne van 200 MHz (2,1, 2,2 en 2,3 GHz), wat de uitdaging van nauw gescheiden kanalen in 4G en sub-3 GHz 5G-netwerken aanpakt.
Negen-polige Architectuur: De implementatie maakt gebruik van negen resonantoren (drie per band), wat bijdraagt aan een scherpere selectiviteit en verbeterde interband-onderdrukking vergeleken met typische dubbelbandontwerpen.

Resultaten
De EM-simulatie resultaten valideren het ontwerp over alle drie de banden:

Centrumfrequenties: Het filter opereert op 2,1 GHz, 2,2 GHz en 2,3 GHz.
Insertieverlies (IL): De gemeten IL-waarden zijn 0,674 dB (2,1 GHz), 0,976 dB (2,2 GHz) en 1,314 dB (2,3 GHz). De auteurs merken een progressieve toename van het verlies op, toegeschreven aan substraat-diëlektrisch verlies, discontinuïteiten in de koppelingsverbindingen en frequentie-pulling effecten bij hogere frequenties.
Return Loss (RL): De return losses zijn 16,785 dB (2,1 GHz), 33,609 dB (2,2 GHz) en 17,162 dB (2,3 GHz). De 2,2 GHz band vertoont een uitzonderlijke impedantie-aanpassing, die de standaard 20 dB benchmark aanzienlijk overtreft, aangezien het gehele ontwerp rond deze frequentie is geoptimaliseerd.
Selectiviteit: Twee transmissie-nullen worden waargenomen bij 2,139 GHz en 2,275 GHz, wat zorgt voor een scherpe attenuatie tussen de doorlaatbanden.
Vergelijking: Wanneer dit ontwerp wordt vergeleken met de state-of-the-art dubbelband en multiband filters in de literatuur, is dit ontwerp uniek in het bereiken van drieband-werking via een enkelband-transformatietechniek binnen zo'n nauwe frequentie-spanne, waarbij het de hoogste return loss (33,609 dB) behaalt onder de vergeleken werken.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat het voorgestelde filter een eenvoudige en effectieve oplossing biedt voor moderne multiband draadloze systemen, specifiek gericht op 4G LTE, UMTS en sub-3 GHz 5G-toepassingen. De betekenis ligt in de mogelijkheid om drie onderscheidende doorlaatbanden te integreren in een enkele microstripcomponent zonder de grootte-straf van gecascadeerde filters. De auteurs benadrukken dat de 2,2 GHz centrumfrequentie met hoge precisie wordt bereikt en dat de ontwerpmethodologie volledig reproduceerbaar en uitbreidbaar is naar andere banden of hogere orde filters.

Toekomstig Werk
De auteurs identificeren de directe volgende stap als de fysieke fabricage en meting van het prototype om simulatie-resultaten te valideren tegen reële factoren zoals substraatdikte-variatie, metaaloppervlakte-ruwheid en connector-effecten. Ze suggereren ook potentiële uitbreidingen, waaronder:

Het schalen van het ontwerp voor quad-band of hogere-orde filters.
Verdere miniaturisering met behulp van gevouwen armen vierkante open-lus resonantoren (FASOLR).
Integratie met filtering power-divider technologie.
Het herconfigureren van de werkfrequenties voor andere banden (bijv. 3,5 GHz 5G NR, 2,4 GHz Wi-Fi) door de resonatorafmetingen te schalen.

1. Het Probleem: Te veel treinen, te weinig ruimte

2. De Oplossing: Een "Magische" Nueve-Sporen Poort

3. Hoe ze het hebben gebouwd

4. De Resultaten: Een Perfecte Prestatie

5. Waarom dit ertoe doet

Meer zoals dit