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

Technische Samenvatting: Compacte Microstrip Triplexer met Vierkante Open-Loop Resonatoren voor 5G Sub-6 GHz Toepassingen

Probleemstelling
De snelle uitrol van 5G New Radio (NR) sub-6 GHz-systemen, naast de co-existentie van LTE- en Wi-Fi-netwerken, heeft een kritische vraag gecreëerd naar compacte, hoog-isolerende passieve multiplexing-componenten. Moderne transceivers vereisen het vermogen om meerdere frequentiekanaalsignalen door een enkel gedeeld antenneport te routeren, terwijl inter-kanaalinterferentie en signaaldegradatie worden geminimaliseerd. Hoewel bestaande microstrip triplexer-ontwerpen die gebruikmaken van technologieën zoals Stepped-Impedance Resonators (SIRs), Complementary Split-Ring Resonators (CSRRs) en gekoppelde-lijn cellen, miniaturisatie mogelijk maken, lijden deze vaak aan een beperkte inter-kanaal isolatie, die typisch tussen de 20 dB en 25 dB ligt. Dit niveau van isolatie is vaak onvoldoende voor veeleisende multi-standaard front-ends waar strikte controle van kanaalkruisspraak vereist is. Bovendien accumuleren cascaderende diplexer-arrangementen vaak insertieverlies en de complexiteit van het matching-netwerk.

Methodologie
De auteurs stellen een compacte microstrip triplexer voor die simultaan ontworpen is om te opereren op 2,2 GHz, 2,6 GHz en 3,0 GHz, gericht op specifieke 5G NR sub-6 GHz allocaties. De ontwerp-methodologie volgt een systematische aanpak:

1. Resonator Selectie: De kernbouwsteen is de Vierkante Open-Loop Resonator (SOLR). Door een half-golflengte ($\lambda_g/2$) rechte microstrip resonator te vouwen in een vierkante lus met een koppelingsopening, wordt de lineaire dimensie gereduceerd tot $\lambda_g/8$. Deze geometrie wordt geïmplementeerd op een hoog-permittiviteit Rogers RT/Duroid 6010LM substraat ($\epsilon_r = 10,7$, dikte = 1,27 mm) om fysieke compactheid te bereiken.
2. Filter Synthese: De triplexer bestaat uit drie onafhankelijke drie-polige Chebyshev banddoorlaatfilters (BPF) kanalen, wat in totaal negen resonator-polen oplevert. Elk kanaal wordt gesynthetiseerd vanuit een standaard genormaliseerde Chebyshev lowpass prototype met elementwaarden $g_0 = g_4 = 1,0$, $g_1 = g_3 = 0,8516$, en $g_2 = 1,1032$. Elk kanaal krijgt een fractionele bandbreedte (FBW) van 3% en een systeemimpedantie van 50 $\Omega$.
3. Integratie en Isolatiestrategie: De drie filterkanalen worden geïntegreerd bij een gemeenschappelijk ingangspoort via een T-junction. Een cruciaal ontwerpkenmerk is de dimensionering van de verbindende transmissielijn-stubs (TL$_1$, TL$_2$, TL$_3$) tot ongeveer een kwart-golflengte ($\lambda_g/4$) bij hun respectieve centrumfrequenties. Deze configuratie presenteert een hoog-impedantie conditie bij de junction node voor niet-bedoelde kanalen, waardoor de fysieke scheiding van signaalpaden wordt afgedwongen en de inter-kanaal isolatie wordt gemaximaliseerd zonder hulpweerstanden.
4. Simulatie: Het ontwerp werd gemodelleerd met behulp van Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum voor full-wave elektromagnetische (EM) simulatie, uitgaande van kopergeleiders met een dikte van 35 $\mu$m.

Belangrijkste Resultaten
Full-wave EM-simulatie resultaten demonstreren de volgende prestatie-metrieken voor de voorgestelde triplexer:

• Return Loss: Het apparaat bereikt return losses van 21,1 dB (2,2 GHz), 23,1 dB (2,6 GHz) en 22,8 dB (3,0 GHz), die alle de 20 dB benchmark overtreffen voor goed afgestemde microgolf-apparaten.
• Insertieverlies: De insertieverliezen zijn geregistreerd op 1,08 dB, 1,01 dB en 0,98 dB voor de respectieve kanalen, wat wijst op een laag-verlies prestatie voor een negen-polig apparaat.
• Inter-kanaal Isolatie: Het meest significante resultaat is de inter-kanaal isolatie, die de 45 dB overtreft voor alle poortparen: 45,7 dB (S$_{32}$), 45,2 dB (S$_{42}$) en 4,57 dB (S$_{43}$).
• Fysieke Voetafdruk: Het volledige actieve circuit neemt een bounding box in van 69,45 mm $\times$ 39,7 mm op het substraat.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de behaalde inter-kanaal isolatie van meer dan 45 dB een significante verbetering vertegenwoordigt ten opzichte van de meerderheid van recent gerapporteerde microstrip triplexer-ontwerpen, die typisch moeite hebben om de 20–25 dB te overschrijden in het sub-6 GHz bereik. De auteurs schrijven deze hoge isolatie direct toe aan het T-junction integratie-schema en het gebruik van SOLRs op een hoog-permittiviteit substraat, in plaats van te vertrouwen op post-design filtering of complexe hulpstructuren.

Door het ontwerp te vergelijken met de state-of-the-art literatuur (refererend aan werken [5]–[10]), positioneert het artikel deze triplexer als zijnde de hoogst gerapporteerde inter-kanaal isolatie voor microstrip triplexers opererend in het 2–4 GHz bereik, met uitzondering van gespecialiseerde ontwerpen die zich richten op veel hogere frequenties. Het ontwerp wordt gepresenteerd als een symmetrische, controleerbare en reproduceerbare oplossing die zowel de filtering als de routering functies consolideert in één enkel monolithisch apparaat, waardoor de circuitcomplexiteit en het cumulatieve insertieverlies worden verminderd in vergelijking met cascaderende diplexer-arrangementen. Het artikel concludeert dat de sterke overeenstemming tussen het theoretische circuitmodel en de EM-simulatie de voorgestelde Chebyshev-synthese en T-junction integratie-methodologie valideert.