CN219372399U - 差分滤波器和射频装置 - Google Patents

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CN219372399U CN202320352083.5U CN202320352083U CN219372399U CN 219372399 U CN219372399 U CN 219372399U CN 202320352083 U CN202320352083 U CN 202320352083U CN 219372399 U CN219372399 U CN 219372399U
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Abstract

本实用新型公开了一种差分滤波器和射频装置。其中，差分滤波器包括：封装外壳、无源滤波器、耦合器和反相模块。封装外壳设置有滤波输入端口、滤波输出端口和反相反馈信号端口；无源滤波器的输入端与滤波输入端口连接；耦合器的输入端与无源滤波器的输出端连接，耦合器的输出端与滤波输出端口连接；反相模块的输入端与耦合器的耦合端连接，反相模块的输出端与反相反馈信号端口连接，用于将无源滤波器的输出信号转换为反相信号。本实用新型通过差分滤波器将普通的射频单端信号转化为差分信号，解决了无源滤波器传输信号容易被干扰的问题，增强了抗干扰能力，减少了设备在通信上的功耗，降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。

Description

差分滤波器和射频装置
技术领域
本实用新型涉及射频技术领域，尤其是涉及一种差分滤波器和射频装置。
背景技术
目前，适用于射频前端的无源滤波器可通过全通、带通、低通、高通和带阻等方式实现滤波，根据工艺可分为声表面、体声波、半导体无源和低温共烧结陶瓷滤波器等。由于射频前端的无源滤波器无法提供差分信号，而单端信号是通过一根导线来传递电信号，单端信号的电压是相对于地而确定的，因此，容易受到相邻链路或其他电子元器件的干扰，射频无源滤波器传输信号容易被干扰的问题攻克一直是射频开发的重点。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种差分滤波器。该差分滤波器能将有效降低电磁干扰对无源双工器传输信号的影响，增强了抗干扰能力，保证了信号传输的质量，从而，提高设备的可靠性。
本实用新型的第二个目的在于提出一种射频装置。
为了达到上述目的，本实用新型第一方面实施例的差分滤波器，包括：封装外壳，所述封装外壳设置有滤波输入端口、滤波输出端口和反相反馈信号端口；无源滤波器，所述无源滤波器的输入端与所述滤波输入端口连接；耦合器，所述耦合器的输入端与所述无源滤波器的输出端连接，所述耦合器的输出端与所述滤波输出端口连接；反相模块，所述反相模块的输入端与所述耦合器的耦合端连接，所述反相模块的输出端与所述反相反馈信号端口连接，用于将所述无源滤波器的输出信号转换为反相信号。
根据本实用新型实施例的差分滤波器，利用耦合器将信号进行分离，并从无源滤波器的输出信号中耦合出反馈信号，将反馈信号通过反相模块转换为反相信号，使得无源滤波器输出的射频单端信号转换为差分信号，相较于单端信号，差分信号可以减小潜在的电磁干扰，差分信号的值很大程度上与“地”的精确值无关，能很好的抵抗电源的干扰，从而有效降低电磁干扰对无源双工器传输信号的影响，增强了抗干扰能力，保证了信号传输的质量，减少了设备在通信上的功耗，并且，降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。
在一些实施例中，所述反相模块包括：反相单元，所述反相单元的输入端与所述耦合器的耦合端连接，用于将所述无源滤波器的输出信号转换为所述反相信号；放大单元，所述放大单元的输入端与所述反相单元的输出端连接，所述放大单元的输出端与所述反相反馈信号端口连接，用于将所述反相信号放大至与所述无源滤波器的输出信号相同振幅。
在一些实施例中，所述反相单元包括：第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的第一端与预设电源连接，所述第二MOS管的第一端接地，所述第一MOS管的第二端和所述第二MOS管的第二端连接在一起并连接至所述放大单元的输入端，所述第一MOS管的控制端与所述第二MOS管的控制端连接在一起并连接至所述耦合器的耦合端。
在一些实施例中，所述第一MOS管为PMOS管，所述第二MOS管为NMOS管。
在一些实施例中，所述放大单元包括：放大器，所述放大器的第一输入端通过第一电阻与所述第一MOS管的第二端、所述第二MOS管的第二端连接，所述放大器的第二输入端通过第二电阻接地，所述放大器的供电端与所述预设电源连接，所述放大器的输出端与所述反相反馈信号端口连接；第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述放大器的输出端连接，所述第三电阻的第二端接地。
在一些实施例中，所述反相模块还包括：保护单元，所述保护单元的第一端与所述耦合器的耦合端连接，所述保护单元的另一端与所述反相单元的输入端连接，用于使得输入所述反相单元的信号低于所述反相单元的耐压限值，从而，起到保护反相模块的作用。
在一些实施例中，所述保护单元包括：第一二极管，所述第一二极管的第一端与所述耦合器的耦合端连接，所述第一二极管的第二端与所述预设电源连接；第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述第一二极管的第一端、所述耦合器的耦合端连接，所述第四电阻的第二端与所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接；第二二极管，所述第二二极管的第一端与所述第四电阻的第二端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接，所述第二二极管的第二端与所述预设电源连接；第三二极管，所述第三二极管的第一端接地，所述第三二极管的第二端与所述第四电阻的第二端、所述第二二极管的第一端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接；第一电容，所述第一电容的第一端与所述第二二极管的第一端、所述第四电阻的第二端、所述第三二极管的第二端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接，所述第一电容的第二端与所述第一二极管的第二端、所述第二二极管的第二端和所述预设电源连接；第二电容，所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端与所述第一电容的第一端、所述第一MOS管的控制端、所述第二MOS管的控制端、所述第二二极管的第一端、所述第三二极管的第二端和所述第四电阻的第二端连接。
在一些实施例中，所述耦合器为20dB定向耦合器。
为了达到上述目的，本实用新型第二方面实施例的射频装置，包括上面实施例所述的差分滤波器。
根据本实用新型实施例的射频装置，通过采用上面实施例所述的差分滤波器，将无源滤波器输出的单端信号经过反相放大后，转化为与单端信号相同振幅的差分信号，降低了电磁干扰对传输信号的影响，增强了抗干扰能力，能够有效抑制输入信号中的共模噪声，提高信号通信传输的稳定性，减少射频装置在通信传输上的功耗，同时，也降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本实用新型的一个实施例的差分滤波器的示意图；
图2是根据本实用新型的一个实施例的反相模块的示意图；
图3是根据本实用新型的一个实施例的反相单元的示意图；
图4是根据本实用新型的一个实施例的放大单元的示意图；
图5是根据本实用新型的一个实施例的保护单元的示意图；
图6是根据本实用新型的一个实施例的射频装置的框图。
附图标记：
射频装置1；
差分滤波器100；
封装外壳10；无源滤波器20；耦合器30；反相模块40；
反相单元41；放大单元42；保护单元43；
第一MOS管411；第二MOS管412；放大器421；第一电阻422；第二电阻423；第三电阻424；第一二极管431；第二二极管432；第三二极管433；第四电阻434；第一电容435；第二电容436。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本实用新型的实施例。
下面参考图1-图3描述根据本实用新型实施例的差分滤波器。
图1是根据本实用新型的一个实施例的差分滤波器的示意图。如图1所示，差分滤波器100包括：封装外壳10、无源滤波器20、耦合器30和反相模块40。
其中，封装外壳10设置有滤波输入端口、滤波输出端口和反相反馈信号端口。滤波输入端口用于输入射频单端信号，滤波输出端口用于输出与射频单端信号同相的信号，反相反馈信号端口用于输出与射频单端信号反相的信号。
无源滤波器20是一个选频装置，无源滤波器20的输入端与滤波输入端口连接，当射频单端信号从滤波输入端口进入到无源滤波器20中，无源滤波器20可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减或阻塞其它不需要的频率成分，从而起到分离信号，抑制干扰的作用。
耦合器30是一种功率分配器件，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件，耦合器30的输入端与无源滤波器20的输出端连接，用于接收来自无源滤波器20输出的信号，耦合器30可以将该信号功率不均匀地分成两路输出，其中一路信号可以从耦合器30的输出端输出，耦合器30的输出端与滤波输出端口连接，因此，该耦合器30的输出端也被叫做直通端。另一路信号可以从耦合器30的耦合端输出，耦合端的信号功率比直通端小ndB，其中，n是耦合器30的系数，一般有6dB、10dB、15dB、20dB等等。
反相模块40可以将输入信号的相位反转180度，起到非门的作用，是逻辑电路的重要基本单元，反相模块40的输入端与耦合器30的耦合端连接，反相模块40的输出端与反相反馈信号端口连接，用于将无源滤波器20的输出信号转换为反相信号。
具体地，当无源滤波器20接收到天线发出的射频单端信号时，无源滤波器20会进行信号处理，将有用的信号尽可能无衰减的通过，对无用的信号尽可能大的反射，然后，通过耦合器30对有用的信号进行功率分配，并分两路进行输出，其中一路信号直接从耦合器30的直通端输出至滤波输出端口，另一路信号从耦合器30的耦合端输出至反相模块40，通过反相模块40对输入信号进行180度的相位反转，并将此信号输出至反相反馈信号端口，进而完成将普通的射频单端信号转换为两条信号，一条与原信号相位相同，另一条与原信号相位相反，从而，实现单端信号到差分信号的转换。
根据本实用新型实施例的差分滤波器100，利用耦合器30将信号进行分离，并从无源滤波器20的输出信号中耦合出反馈信号，将反馈信号通过反相模块40转换为反相信号，使得无源滤波器20输出的射频单端信号转换为差分信号，相较于单端信号，差分信号可以减小潜在的电磁干扰，差分信号的值很大程度上与“地”的精确值无关，能很好的抵抗电源的干扰，从而有效降低电磁干扰对无源双工器传输信号的影响，增强了抗干扰能力，保证了信号传输的质量，减少了设备在通信上的功耗，同时，降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。
在本实用新型的一些实施例中，耦合器30为20dB定向耦合器30，其中，定向耦合器30具有定向性，能对传输线中的信号实现定向耦合。耦合度是指信号功率经过耦合器30，从耦合端输出的功率和输入信号功率之间的差值，耦合度为20dB表明耦合端输出的信号功率相比输入信号功率衰减了20dB。因此，信号在经过反相模块40进行反相操作时，也需要将信号重新放大到与原单端信号相同的功率，避免造成功率损耗。
图2是根据本实用新型的一个实施例的反相模块的示意图。如图2所示，反相模块40包括：反相单元41和放大单元42和保护单元43。
其中，反相单元41的输入端与耦合器30的耦合端连接，用于将无源滤波器20的输出信号转换为反相信号，反相单元41可以包括不同的反相电路，常用的电阻、电容、电感、变压器、二极管、三极管、各种门电路、集成运放、光耦等都可以组成反相电路，在此不作具体限制。
在一些实施例中，如图3所示，反相单元41包括：第一MOS管411和第二MOS管412。第一MOS管411的第一端与预设电源Vcc连接，第二MOS管412的第一端接地，第一MOS管411的第二端和第二MOS管412的第二端连接在一起并连接至放大单元42的输入端，第一MOS管411的控制端与第二MOS管412的控制端连接在一起并连接至耦合器30的耦合端。通过两个增强型MOS场效应管串联组成CMOS反相器，可以将输入信号的相位反转180度，实现信号的反相处理。
在一些实施例中，第一MOS管411为PMOS管，第二MOS管412为NMOS管。如图2所示，NMOS管和PMOS管的栅极、源极和漏极分别标记为G、S和D。
具体地，CMOS反相器的电路原理为：定义PMOS管的开启电压是VGS(th)p＜0，NMOS管的开启电压是VGS(th)N＞0，两个MOS管栅极输入电压为VI，两个MOS管的漏极输出电压为V0。通常为了保证正常工作，要求VCC＞|VGS(th)p|+VGS(th)N，若输入VI为低电平(如0V)，则PMOS管导通，NMOS管截止，输出电压接近VCC。若输入VI为高电平(VH)，则NMOS管导通，PMOS管截止，输出电压接近0V，如以下公式所示：
综上所述，当输入电平VI为低电平时，则输出电平V0为高电平，输入电平VI为高电平时，则输出电平V0为低电平，电路实现了非门的逻辑运算，从而，可以将输入信号转换为反相信号。
此外，使用CMOS反相器具有以下优点：
第一、静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。第二、抗干扰能力强。由于输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强；第三、电源利用率高。由于阈值电压随Vcc变化而变化，所以允许Vcc有较宽的变化范围，一般为+3～+18V；第四、输入阻抗高，带负载能力强。
如图2所示，放大单元42的输入端与反相单元41的输出端连接，放大单元42的输出端与反相反馈信号端口连接，用于将反相信号放大至与无源滤波器20的输出信号相同振幅。
放大单元42可以包括不同的放大电路，常用的电阻、电容、变压器、三极管、功率放大器、集成运算放大器等都可以组成放大电路，在此不作具体限制。
图4是根据本实用新型的一个实施例的放大单元的示意图，如图4所示，放大单元42包括：放大器421、第一电阻422、第二电阻423和第三电阻424。放大器421的第一输入端通过第一电阻422与第一MOS管411的第二端、第二MOS管412的第二端连接，放大器421的第二输入端通过第二电阻423接地，放大器421的供电端与预设电源连接，放大器421的输出端与反相反馈信号端口连接。第三电阻424的第一端与放大器421的输出端连接，第三电阻424的第二端接地。
在一些实施例中，20dB定向耦合器30从内部无源滤波器20的主单端信号中耦合了反馈信号出来进行反相操作，所有反馈信号强度比主单端信号小20dB，因此，需要将经过反相操作的信号重新放大到与原主单端信号的功率。
具体地，信号同幅放大原理为：定义Vout为放大器421的输出端连接的反相反馈信号端口的输出电平，Vin为放大器421输入端的输入电平，R1为第一电阻422，Rf为第三电阻424。放大比例关系如以下公式所示：
反相信号经过放大器421可以实现与无源滤波器20的输出信号相同振幅。
此外，由于反相单元41中的MOS管的衬底和栅极间的绝缘介质非常薄，容易被击穿，因此，在本实用新型的一些实施例中，反相模块40还包括：保护单元43，保护单元43的第一端与耦合器30的耦合端连接，保护单元43的另一端与反相单元41的输入端连接，用于使得输入反相单元41的信号低于反相单元41的耐压限值。
保护单元43包括多个电阻、电容和二极管的串并联组合，在此不作具体限制。通过该保护单元43可以起到保护反相单元41中的MOS管的作用。
图5是根据本实用新型的一个实施例的保护单元的示意图。如图5所示，保护单元43包括：第一二极管431、第四电阻434、第二二极管432、第三二极管433、第一电容435和第二电容436。
其中，第一二极管431的第一端与耦合器30的耦合端连接，第一二极管431的第二端与预设电源连接。第四电阻434的第一端与第一二极管431的第一端、耦合器30的耦合端连接，第四电阻434的第二端与第一MOS管411的控制端和第二MOS管412的控制端连接。第二二极管432的第一端与第四电阻434的第二端、第一MOS管411的控制端和第二MOS管412的控制端连接，第二二极管432的第二端与预设电源连接。第三二极管433的第一端接地，第三二极管433的第二端与第四电阻434的第二端、第二二极管432的第一端、第一MOS管411的控制端和第二MOS管412的控制端连接。第一电容435的第一端与第二二极管432的第一端、第四电阻434的第二端、第三二极管433的第二端、第一MOS管411的控制端和第二MOS管412的控制端连接，第一电容435的第二端与第一二极管431的第二端、第二二极管432的第二端和预设电源连接。第二电容436的第一端接地，第二电容436的第二端与第一电容435的第一端、第一MOS管411的控制端、第二MOS管412的控制端、第二二极管432的第一端、第三二极管433的第二端和第四电阻434的第二端连接。
具体地，保护单元43的工作原理为：若第一二极管431、第二二极管432和第三二极管433的正向导通压降为VDF，则当VI＞VCC+VDF时，第一二极管431导通，将PMOS管和NMOS管的栅极电位钳位在VCC+VDF，保证加到第二电容436上的电压不超过VCC+VDF，而当VI＜-0.7V时，第二二极管432导通，将栅极电位钳在-VDF，进而保证加到第一电容435上的电压也不会超过VCC+VDF，由于多数CMOS集成电路使用的VCC不超过18V，所以，加到第一电容435和第二电容436上的电压不会超过允许的耐压极限，实现了保护后续电路的作用。
总的来说，根据本实用新型实施例的差分滤波器100，首先通过内部的无源滤波器20对输入信号进行滤波处理，其次利用耦合器30对滤波完成的信号进行功率分配，并输出两路信号，一路信号与无源滤波器20的输出信号同相同幅，另一路信号经过反相模块40中的反相单元41和放大单元42转换为与无源滤波器20的输出信号反相同幅的信号，从而，实现了将射频单端信号转换为差分信号，有效降低电磁干扰对无源双工器传输信号的影响，增强了抗干扰能力，保证了信号传输的质量，减少了设备在通信上的功耗，同时，降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。
基于上面实施例的差分滤波器100，下面描述根据本实用新型第二方面实施例的射频装置。
图6是根据本实用新型的一个实施例的射频装置的框图。如图6所示，射频装置1包括上面实施例所述的差分滤波器100，该射频装置1用于无线通信系统，可以有效接收射频单端信号。
根据本实用新型实施例的射频装置1，通过采用上面实施例所述的差分滤波器100，将无源滤波器20输出的单端信号经过反相放大后，转化为与单端信号相同振幅的差分信号，降低了电磁干扰对传输信号的影响，增强了抗干扰能力，能够有效抑制输入信号中的共模噪声，提高信号通信传输的稳定性，减少射频装置1在通信传输上的功耗，同时，也降低射频开发人员调试带通滤波器的难度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种差分滤波器，其特征在于，包括：
封装外壳，所述封装外壳设置有滤波输入端口、滤波输出端口和反相反馈信号端口；
无源滤波器，所述无源滤波器的输入端与所述滤波输入端口连接；
耦合器，所述耦合器的输入端与所述无源滤波器的输出端连接，所述耦合器的输出端与所述滤波输出端口连接；
反相模块，所述反相模块的输入端与所述耦合器的耦合端连接，所述反相模块的输出端与所述反相反馈信号端口连接，用于将所述无源滤波器的输出信号转换为反相信号。
2.根据权利要求1所述的差分滤波器，其特征在于，所述反相模块包括：
反相单元，所述反相单元的输入端与所述耦合器的耦合端连接，用于将所述无源滤波器的输出信号转换为所述反相信号；
放大单元，所述放大单元的输入端与所述反相单元的输出端连接，所述放大单元的输出端与所述反相反馈信号端口连接，用于将所述反相信号放大至与所述无源滤波器的输出信号相同振幅。
3.根据权利要求2所述的差分滤波器，其特征在于，所述反相单元包括：
第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的第一端与预设电源连接，所述第二MOS管的第一端接地，所述第一MOS管的第二端和所述第二MOS管的第二端连接在一起并连接至所述放大单元的输入端，所述第一MOS管的控制端与所述第二MOS管的控制端连接在一起并连接至所述耦合器的耦合端。
4.根据权利要求3所述的差分滤波器，其特征在于，所述第一MOS管为PMOS管，所述第二MOS管为NMOS管。
5.根据权利要求3或4所述的差分滤波器，其特征在于，所述放大单元包括：
放大器，所述放大器的第一输入端通过第一电阻与所述第一MOS管的第二端、所述第二MOS管的第二端连接，所述放大器的第二输入端通过第二电阻接地，所述放大器的供电端与所述预设电源连接，所述放大器的输出端与所述反相反馈信号端口连接；
第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述放大器的输出端连接，所述第三电阻的第二端接地。
6.根据权利要求3或4所述的差分滤波器，其特征在于，所述反相模块还包括：
保护单元，所述保护单元的第一端与所述耦合器的耦合端连接，所述保护单元的另一端与所述反相单元的输入端连接，用于使得输入所述反相单元的信号低于所述反相单元的耐压限值。
7.根据权利要求6所述的差分滤波器，其特征在于，所述保护单元包括：
第一二极管，所述第一二极管的第一端与所述耦合器的耦合端连接，所述第一二极管的第二端与所述预设电源连接；
第四电阻，所述第四电阻的第一端与所述第一二极管的第一端、所述耦合器的耦合端连接，所述第四电阻的第二端与所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接；
第二二极管，所述第二二极管的第一端与所述第四电阻的第二端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接，所述第二二极管的第二端与所述预设电源连接；
第三二极管，所述第三二极管的第一端接地，所述第三二极管的第二端与所述第四电阻的第二端、所述第二二极管的第一端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接；
第一电容，所述第一电容的第一端与所述第二二极管的第一端、所述第四电阻的第二端、所述第三二极管的第二端、所述第一MOS管的控制端和所述第二MOS管的控制端连接，所述第一电容的第二端与所述第一二极管的第二端、所述第二二极管的第二端和所述预设电源连接；
第二电容，所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端与所述第一电容的第一端、所述第一MOS管的控制端、所述第二MOS管的控制端、所述第二二极管的第一端、所述第三二极管的第二端和所述第四电阻的第二端连接。
8.根据权利要求1-4任一项所述的差分滤波器，其特征在于，所述耦合器为20db定向耦合器。
9.一种射频装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的差分滤波器。
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