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

Este artigo apresenta um triplexador de microfita compacto utilizando ressonadores de malha aberta quadrados para alcançar alta isolação entre canais superior a 45 dB nas bandas de 2,2, 2,6 e 3,0 GHz para aplicações 5G sub-6 GHz.

Autores originais: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Publicado 2026-08-17

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CC BY 4.0

Autores originais: Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

Imagine que o ar ao nosso redor é uma rodovia movimentada e invisível, repleta de ondas de rádio. Essas ondas transportam nossos textos, vídeos e chamadas, mas todas viajam em velocidades diferentes e em "faixas" distintas chamadas frequências. No passado, seu telefone poderia ter um rádio separado e minúsculo para cada faixa que precisasse usar. Mas, à medida que a tecnologia avança, compactando cada vez mais faixas no mesmo espaço, os engenheiros enfrentam um problema complicado: como construir um único dispositivo minúsculo que possa ouvir três faixas diferentes ao mesmo tempo sem que elas colidam umas com as outras? Este é o mundo da engenharia de radiofrequência, onde o objetivo é criar "controladores de tráfego" que organizem os sinais perfeitamente. Se esses controladores forem desorganizados demais, sua chamada de vídeo trava ou sua música pula. A chave para resolver isso é construir um dispositivo que possa dividir um único sinal em três caminhos distintos, mantendo-os tão afastados que eles nunca venham a conversar acidentalmente uns com os outros.

Este artigo apresenta um novo design para tal controlador de tráfego, especificamente para as próximas redes 5G que alimentarão nossos dispositivos futuros. Os pesquisadores, trabalhando na Universidade de Greenwich, construíram um "triplexador" — uma palavra sofisticada para um dispositivo que divide um sinal em três. Pense nisso como um bifurcação mágica de três vias em uma estrada, onde um único carro (o sinal) chega e é instantaneamente organizado em três faixas diferentes (2,2 GHz, 2,6 GHz e 3,0 GHz) sem nunca ficar preso ou se misturar com os outros carros. Para fazer isso, eles usaram um truque inteligente envolvendo "ressonadores de malha aberta quadrada". Imagine pegar um fio longo e reto e dobrá-lo em um laço quadrado apertado; isso faz com que o fio atue como uma mola que vibra em uma nota específica, mas em um espaço muito menor. Ao organizar esses laços em três grupos separados, a equipe criou um dispositivo que pode lidar com três frequências 5G diferentes simultaneamente.

A parte mais emocionante do trabalho deles é o quão bem essas faixas permanecem separadas. Em muitos designs anteriores, os sinais às vezes "vazavam" de uma faixa para outra, causando interferência, de forma muito semelhante a ouvir o rádio de um vizinho através da parede. Os pesquisadores simularam seu design em um computador e descobriram que seu novo dispositivo mantém as faixas incrivelmente silenciosas. Os sinais em uma faixa são bloqueados dos outros por mais de 45 decibéis de isolamento. Para colocar isso em perspectiva, se o sinal em uma faixa fosse um grito, o sinal vazando para a próxima faixa seria mais baixo que um sussurro. Este é um avanço significativo em relação à maioria dos designs, que geralmente conseguem manter o ruído em apenas cerca de 20 ou 25 decibéis.

A equipe não apenas adivinhou; eles realizaram simulações detalhadas por computador para provar que sua ideia funciona. Eles construíram um modelo virtual de seu triplexador em um tipo especial de material de placa de circuito e testaram como ele se comportava. Os resultados mostraram que o dispositivo é muito bom em seu trabalho: ele deixa os sinais corretos passarem com pouquíssima perda (apenas cerca de 1 decibel de perda de força de sinal) e não reflete quase nada do sinal de volta para a fonte. Embora isso seja atualmente uma simulação de computador e não um dispositivo físico que eles tenham construído e testado em um laboratório ainda, os números sugerem que, se eles o construíssem, seria um componente altamente eficiente e compacto, perfeito para a próxima geração de tecnologia sem fio. O artigo argumenta que, ao usar este design específico de laço quadrado e uma conexão especial de "junção em T", eles resolveram o problema do vazamento de sinal melhor do que a maioria dos outros métodos disponíveis atualmente, oferecendo uma maneira mais limpa e compacta de gerenciar as ondas de rádio congestionadas do futuro.

Resumo Técnico: Triplexador de Microfita Compacto Utilizando Ressonadores de Malha Aberta Quadrada para Aplicações 5G Sub-6 GHz

Definição do Problema
A rápida implantação de sistemas 5G New Radio (NR) sub-6 GHz, juntamente com a coexistência de redes LTE e Wi-Fi, criou uma demanda crítica por componentes de multiplexação passiva compactos e de alta isolação. Transceptores modernos requerem a capacidade de rotear múltiplos canais de frequência através de uma única porta de antena compartilhada, minimizando a interferência entre canais e a degradação do sinal. Embora designs de triplexadores de microfita existentes utilizando tecnologias como Ressonadores de Impedância Escalonada (SIRs), Ressonadores de Anel Dividido Complementares (CSRRs) e células de linha acoplada ofereçam miniaturização, eles frequentemente sofrem com isolação inter-canal limitada, variando tipicamente entre 20 dB e 25 dB. Este nível de isolação é frequentemente insuficiente para front-ends multiestatutos exigentes, onde o controle rigoroso do crosstalk entre canais é necessário. Além disso, arranjos de diplexadores em cascata podem acumular perda de inserção e complexidade de rede de casamento.

Metodologia
Os autores propõem um triplexador de microfita compacto projetado para operar simultaneamente em 2,2 GHz, 2,6 GHz e 3,0 GHz, visando alocações específicas de 5G NR sub-6 GHz. A metodologia de design segue uma abordagem sistemática:

Seleção do Ressonador: O bloco de construção central é o Ressonador de Malha Aberta Quadrada (SOLR). Ao dobrar um ressonador de microfita de meia onda ( $\lambda_g/2$ ) em um loop quadrado com uma lacuna de acoplamento, a dimensão linear é reduzida para $\lambda_g/8$ . Esta geometria é implementada em um substrato de alta permissividade Rogers RT/Duroid 6010LM ( $\epsilon_r = 10,7$ , espessura = 1,27 mm) para alcançar compacidade física.
Síntese de Filtro: O triplexador compreende três canais independentes de filtro passa-faixa (BPF) Chebyshev de três polos, totalizando nove polos de ressonador. Cada canal é sintetizado a partir de um protótipo passa-baixas Chebyshev normalizado padrão com valores de elemento $g_0 = g_4 = 1,0$ , $g_1 = g_3 = 0,8516$ e $g_2 = 1,1032$ . Cada canal recebe uma largura de banda fracionária (FBW) de 3% e uma impedância de sistema de 50 $\Omega$ .
Integração e Estratégia de Isolação: Os três canais de filtro são integrados em uma porta de entrada comum via uma junção em T. Uma característica fundamental de design é a dimensionamento das linhas de transmissão de conexão (TL $_1$ , TL $_2$ , TL $_3$ ) para aproximadamente um quarto de onda ( $\lambda_g/4$ ) em suas respectivas frequências centrais. Esta configuração apresenta uma condição de alta impedância no nó da junção para canais não pretendidos, impondo assim a separação física dos caminhos de sinal e maximizando a isolação inter-canal sem resistores auxiliares.
Simulação: O design foi modelado usando o Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum para simulação eletromagnética (EM) de onda completa, assumindo condutores de cobre com 35 $\mu$ m de espessura.

Principais Resultados
Os resultados da simulação EM de onda completa demonstram as seguintes métricas de desempenho para o triplexador proposto:

Perda de Retorno: O dispositivo alcança perdas de retorno de 21,1 dB (2,2 GHz), 23,1 dB (2,6 GHz) e 22,8 dB (3,0 GHz), todas excedendo o benchmark de 20 dB para dispositivos de micro-ondas bem casados.
Perda de Inserção: As perdas de inserção são registradas em 1,08 dB, 1,01 dB e 0,98 dB para os respectivos canais, indicando um desempenho de baixa perda para um dispositivo de nove polos.
Isolação Inter-Canal: O resultado mais significativo é a isolação inter-canal, que excede 45 dB em todos os pares de portas: 45,7 dB (S $_{32}$ ), 45,2 dB (S $_{42}$ ) e 45,7 dB (S $_{43}$ ).
Pegada Física: O circuito ativo completo ocupa um volume delimitador de 69,45 mm $\times$ 39,7 mm no substrato.

Significância e Alegações
O artigo alega que a isolação inter-canal alcançada de mais de 45 dB representa uma melhoria significativa sobre a maioria dos designs de triplexadores de microfita reportados recentemente, que tipicamente lutam para exceder 20–25 dB na faixa sub-6 GHz. Os autores atribuem esta alta isolação diretamente ao esquema de integração de junção em T e ao uso de SOLRs em um substrato de alta permissividade, em vez de depender de filtragem pós-projeto ou estruturas auxiliares complexas.

Ao comparar o design com a literatura de estado da arte (referenciando trabalhos [5]–[10]), o artigo posiciona este triplexador como oferecendo a maior isolação inter-canal reportada para triplexadores de microfita operando na faixa de 2–4 GHz, com exceção de designs especializados que visam frequências muito mais altas. O design é apresentado como uma solução simétrica, controlável e reproduzível que consolida as funções de filtragem e roteamento em um único dispositivo monolítico, reduzindo assim a complexidade do circuito e a perda de inserção cumulativa em comparação com arranjos de diplexadores em cascata. O artigo conclui que a forte concordância entre o modelo de circuito teórico e a simulação EM valida a proposta de síntese Chebyshev e a metodologia de integração de junção em T.

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