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

本文提出了一种利用正方形开路谐振器实现紧凑型微带三路复用器的设计，旨在 2.2、2.6 和 3.0 GHz 频段内实现超过 45 dB 的高通道间隔离度，以用于 5G Sub-6 GHz 应用。

原作者： Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

发布于 2026-08-17

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原作者： Bhaskarareddy N C, Rashmi Ravi, Augustine O. Nwajana

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，我们周围的空气就像一条繁忙且隐形的公路，充满了无线电波。这些波携带著我们的短信、视频和通话，但它们都以不同的速度在不同的“车道”上行驶，这些车道被称为频率。在过去，你的手机可能需要为每一个它需要使用的车道都配备一个独立的微型无线电。但随着技术的飞速发展，在同样的空间内挤入了越来越多的车道，工程师们面临着一个棘手的问题：如何制造一个单一的、微小的设备，能够同时监听三条不同的车道，而不会让它们发生碰撞？这就是射频工程的世界，其目标是创造出能够完美分类信号的“交通控制器”。如果这些控制器太混乱，你的视频通话就会卡顿，或者音乐会跳音。解决这个问题的关键在于制造一种能够将一个信号拆分为三条不同路径的设备，并使它们保持足够远的距离，从而绝不会意外地相互干扰。

本文介绍了一种用于此类交通控制器的全新设计，专门针对将为我们未来的设备提供动力的即将到来的5G网络。格林威治大学的研究人员构建了一个“三路滤波器”（triplexer）——这是一个形容用于将一个信号拆分为三个部分的设备的专业术语。把它想象成一个神奇的三岔路口，一辆车（信号）驶来，并被立即分流到三条不同的车道（2.2 GHz、2.6 GHz 和 3.0 GHz）中，而绝不会发生拥堵或与其他车辆混杂在一起。为了实现这一点，他们使用了一个巧妙的技巧，涉及“方型开环谐振器”。想象一下，将一段长而直的导线折叠成一个紧凑的正方形环；这使得导线表现得像一个能在极小空间内按特定音调振动的弹簧。通过将这些环排列成三个独立的组，该团队创建了一个可以同时处理三种不同5G频率的设备。

他们工作的最令人兴奋的部分在于这些车道分离得有多好。在许多之前的设计中，信号有时会从一个车道“泄漏”到另一个车道，造成干扰，就像你能听到邻居的收音机声穿过墙壁一样。研究人员在计算机上模拟了他们的设计，发现他们的设备能让车道保持极其安静。一个车道中的信号被阻隔在其他车道之外的程度超过了45分贝。为了让你有个直观的概念，如果一个车道中的信号是一声呐喊，那么泄漏到下一个车道的信号将比耳语还要轻微。这比大多数其他设计有了显著的改进，因为那些设计通常只能将噪声控制在20或25分贝左右。

该团队并非凭空猜测；他们运行了详细的计算机模拟来证明他们的想法是可行的。他们在一种特殊类型的电路板材料上构建了一个虚拟的三路滤波器模型，并测试了它的性能。结果显示，该设备非常胜任它的工作：它能以极低的损耗（仅损失约1分贝的信号强度）让正确的信号通过，并且几乎不会将信号反射回源头。虽然这目前还只是计算机模拟，而非他们在实验室中已经制造并测试过的物理设备，但数据表明，如果他们将其制造出来，它将是一个高效且紧凑的组件，非常适合下一代无线技术。论文认为，通过使用这种特定的方环设计和特殊的“T型接点”连接，他们比目前可用的多数其他方法更好地解决了信号泄漏问题，为管理未来拥挤的无线电波提供了一种更清洁、更紧凑的方式。

技术摘要：基于方型开环谐振器的紧凑型微带三路合路器，用于 5G Sub-6 GHz 应用

问题陈述
随着 5G 新空口 (NR) sub-6 GHz 系统以及 LTE 和 Wi-Fi 网络并存的快速部署，对紧凑型高隔离度无源多路复用组件产生了关键需求。现代收发机需要能够在单个共享天线端口处路由多个频率通道的能力，同时最大限度地减少通道间干扰和信号降级。虽然利用阶梯阻抗谐振器 (SIRs)、互补开口环谐振器 (CSRRs) 和耦合线单元等技术实现的现有微带三路合路器设计实现了小型化，但它们经常受到有限的通道间隔离度的限制，其隔离度通常在 20 dB 到 25 dB 之间。对于需要严格控制通道串扰的高要求多标准前端而言，这一隔离水平往往是不够的。此外，级联的双路合路器配置可能会累积插入损耗并增加匹配网络的复杂性。

方法论
作者提出了一种紧凑型微带三路合路器，旨在同时运行在 2.2 GHz、2.6 GHz 和 3.0 GHz，目标针对特定的 5G NR sub-6 GHz 分配频段。该设计方法遵循系统化流程：

谐振器选择： 核心构建单元是方型开环谐振器 (SOLR)。通过将半波长 ( $\lambda_g/2$ ) 的直型微带谐振器折叠成带有耦合间隙的方型环路，其线性尺寸缩减至 $\lambda_g/8$ 。该几何结构实现于高介电常数 Rogers RT/Duroid 6010LM 基板上（ $\epsilon_r = 10.7$ ，厚度 = 1.27 mm），以实现物理紧凑性。
滤波器综合： 该三路合路器由三个独立的三极点切比雪夫带通滤波器 (BPF) 通道组成，共计九个谐振器极点。每个通道均由标准归一化切比雪夫低通原型合成，其元件值分别为 $g_0 = g_4 = 1.0$ ， $g_1 = g_3 = 0.8516$ ，以及 $g_2 = 1.1032$ 。每个通道分配的 fractional 带宽 (FBW) 为 3%，系统阻抗为 50 $\Omega$ 。
集成与隔离策略： 三个滤波器通道通过 T 型接头集成到一个公共输入端口。一个关键的设计特征是将连接传输线短路桩 (TL $_1$ , TL $_2$ , TL $_3$ ) 的尺寸设定为与其各自中心频率近似的四分之一波长 ( $\lambda_g/4$ )。这种配置在接点节点处呈现出高阻抗状态，从而在不使用辅助电阻的情况下，强制实现信号路径的物理分离并最大化通道间隔离度。
仿真： 该设计使用 Keysight PathWave Advanced Design System (ADS) Momentum 进行全波电磁 (EM) 仿真建模，假设导体为 35 $\mu$ m 厚度的铜。

关键结果
全波 EM 仿真结果展示了所提议三路合路器的性能指标：

回波损耗： 该器件在 2.2 GHz、2.6 GHz 和 3.0 GHz 下分别实现了 21.1 dB、23.1 dB 和 22.8 dB 的回波损耗，均超过了 20 dB 的良好匹配微波器件基准。
插入损耗： 记录的各通道插入损耗分别为 1.08 dB、1.01 dB 和 0.98 dB，表明对于一个九极点器件而言具有低损耗性能。
通道间隔离度： 最显著的结果是通道间隔离度在所有端口对之间均超过 45 dB：S $_{32}$ 为 45.7 dB，S $_{42}$ 为 45.2 dB，S $_{43}$ 为 45.7 dB。
物理尺寸： 完整的活性电路在基板上的包络框占用面积为 69.45 mm $\times$ 39.7 mm。

意义与主张
本文声称，实现的超过 45 dB 的通道间隔离度代表了对近期报道的大多数微带三路合路器设计的显著改进，这些设计在 sub-6 GHz 范围内通常难以超过 20–25 dB。作者将这种高隔离度直接归功于 T 型接头集成方案和在高介电常数基板上使用 SOLR，而非依赖于后期设计滤波或复杂的辅助结构。

通过将该设计与最先进的文献进行对比（引用文献 [5]–[10]），本文定位该三路合路器在 2–4 GHz 范围内的微带三路合路器中提供了最高的报告通道间隔离度，仅次于针对更高频率的专门设计。该设计被呈现为一个对称、可控且可重复的解决方案，它将滤波和路由功能整合进单个单体器件中，从而与级联的双路合路器配置相比，降低了电路复杂性和累积插入损耗。论文最后指出，理论电路模型与 EM 仿真之间的高度一致性验证了所提议的切比雪夫综合法和 T 型接头集成方法论。

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