耦合器工作原理

原理類比：

老張的南北兩側(cè)的白菜地各分了3份，老張希望通過一次性水道改動(dòng)，每份地從主干水道上獲得一小部分水流，水流速度和其他的地盡量相同，如圖1所示。這樣老張就可以在樹蔭下歇一段時(shí)間，不用再做任何的水道改動(dòng)，所有的地同時(shí)澆完。

耦合器是從無線信號(hào)主干通道中提取出一小部分信號(hào)的射頻器件，如圖2所示，與功分器一樣都屬于功率分配器件，不同的是耦合器是不等功率的分配器件。耦合器與功分器搭配使用，主要為了達(dá)到一個(gè)目標(biāo)—使信號(hào)源的發(fā)射功率能夠盡量平均分配到室內(nèi)分布系統(tǒng)的各個(gè)天線口，使每個(gè)天線口的發(fā)射功率基本相同。

理想耦合器的輸入端口功率等于耦合端口功率與輸出端口功率之和，以瓦特（W）為單位，即

如圖3所示。

耦合器的重要指標(biāo)是耦合度和插損。耦合度是耦合端口與輸入端口的功率之比，以dB表示的話，一般是負(fù)值。耦合度的絕對(duì)值越大，相當(dāng)于拿走的東西越少，自然耦合器的損耗就越小。插損是輸出端口與輸入端口的功率之比。耦合度的絕對(duì)值越大，插損的絕對(duì)值越小。

以dB表示的話，有下列關(guān)系：

那么，耦合器的插損（dB）和耦合度（dB）的關(guān)系可以表示為：

實(shí)例：

一個(gè)耦合度為?10dB的耦合器，它的插損就為?0.5dB。取絕對(duì)值，再考慮到介質(zhì)損耗，一般插損會(huì)更大一些，不同廠家不一樣，一般插損可取0.7dB左右。

假若輸入端口功率為15dBm，那么這個(gè)耦合器的耦合端口的功率就是15dBm-10dB=5dBm，輸出端口的功率就是15dBm-0.7dB=14.3dBm。

在此很多人會(huì)問這樣一個(gè)問題：5dBm 14.3dBm>15dBm，能量不守恒，為什么？原因很簡(jiǎn)單，以dBm為單位的數(shù)量不能相加。

在光電耦合器輸入端加電信號(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。

⒈工作特性（以光敏三極管為例）

光電耦合器內(nèi)部共模抑制比很高。因?yàn)榘l(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小（2pF以內(nèi)），共模輸入電壓通過極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。

⒉輸出特性

光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。

⒊光電耦合器可作為線性耦合器使用

在發(fā)光二極管上提供一個(gè)偏置電流，再把信號(hào)電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號(hào)，其輸出電流將隨輸入的信號(hào)電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關(guān)狀態(tài)，傳輸脈沖信號(hào)。在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在一定的延遲時(shí)間，不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器輸入、輸出延遲時(shí)間相差很大。

⒈用萬(wàn)用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測(cè)1、2腳電阻，正向電阻為幾百歐，反向電阻幾十千歐，3、4腳間電阻應(yīng)為無限大。1、2腳與3、4腳間任意一組，阻值為無限大，輸入端接通電源后，3、4腳的電阻很小。調(diào)節(jié)RP，3、4間腳電阻發(fā)生變化，說明該器件是好的。注：不能用R×10k檔，否則導(dǎo)致發(fā)射管擊穿。

⒉簡(jiǎn)易測(cè)試電路，當(dāng)接通電源后，LED不發(fā)光，按下SB，LED會(huì)發(fā)光，調(diào)節(jié)RP、LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，說明被測(cè)光電耦合器是好的。

⒈組成開關(guān)電路

當(dāng)輸入信號(hào)ui為低電平時(shí)，晶體管V1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)ui為高電平時(shí)，v1導(dǎo)通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”．該電路因Ui為低電平時(shí)，開關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài)．同理，因無信號(hào)（Ui為低電平）時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，故為低電平導(dǎo)通狀態(tài)．

2．組成邏輯電路

電路為“與門”邏輯電路。其邏輯表達(dá)式為P=A．B.圖中兩只光敏管串聯(lián)，只有當(dāng)輸入邏輯電平A=1、B=1時(shí)，輸出P=1．同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門”等邏輯電路．

3．組成隔離耦合電路

電路如圖4所示．這是一個(gè)典型的交流耦合放大電路．適當(dāng)選取發(fā)光回路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數(shù)，即可保證該電路的線性放大作用。

4．組成高壓穩(wěn)壓電路

驅(qū)動(dòng)管需采用耐壓較高的晶體管（圖中驅(qū)動(dòng)管為3DG27）。當(dāng)輸出電壓增大時(shí)，V55 的偏壓增加，B5中發(fā)光二極管的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調(diào)整管be結(jié)偏壓降低而內(nèi)阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩(wěn)定．

⒌組成門廳照明燈自動(dòng)控制電路

A是四組模擬電子開關(guān)（S1~S4）：S1，S2，S3并聯(lián)（可增加驅(qū)動(dòng)功率及抗干擾能力）用于延時(shí)電路，當(dāng)其接通電源后經(jīng)R4，B6驅(qū)動(dòng)雙向可控硅VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構(gòu)成環(huán)境光線檢測(cè)電路。當(dāng)門關(guān)閉時(shí)，安裝在門框上的常閉型干簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點(diǎn)斷開，S1，S2，S3處于數(shù)據(jù)開狀態(tài)。晚間主人回家打開門，磁鐵遠(yuǎn)離KD，KD觸點(diǎn)閉合。此時(shí)9V電源整流后經(jīng)R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經(jīng)S1，S2，S3和R4使B6內(nèi)發(fā)光管發(fā)光從而觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，VT亦導(dǎo)通，H點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照明控制作用。房門關(guān)閉后，磁鐵控制KD，觸點(diǎn)斷開，9V電源停止對(duì)C1充電，電路進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)。C1開始對(duì)R3放電，經(jīng)一段時(shí)間延遲后，C1兩端電壓逐漸下降到S1，S2，S3的開啟電壓（1.5v）以下，S1，S2，S3恢復(fù)斷開狀態(tài)，導(dǎo)致B6截止，VT亦截止，H熄來，實(shí)現(xiàn)延時(shí)關(guān)燈功能。

耦合器定向種類

定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四端口元件，它是由耦合裝置聯(lián)系在一起的兩對(duì)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的。首先介紹定向耦合器的性能指標(biāo)，然后介紹波導(dǎo)雙孔定向耦合器、雙分支定向耦合器和平行耦合微帶定向耦合器。

1）定向耦合器的性能指標(biāo)

定向耦合器是四端口網(wǎng)絡(luò)，端口“①”為輸入端，端口“②”為直通輸出端，端口“③”為耦合輸出端，端口“④”為隔離端，并設(shè)其散射矩陣為[S]。描述定向耦合器的性能指標(biāo)有： 耦合度、隔離度、 定向度、輸入駐波比和工作帶寬。下面分別加以介紹。

2）隔離度

輸入端“①”的輸入功率P1和隔離端“④”的輸出功率P4之比定義為隔離度，記作I。

⑶定向度

耦合端“③”的輸出功率P3與隔離端“④”的輸出功率P4之比定義為定向度，記作D。

⑷輸入駐波比

端口“②、 ③、 ④”都接匹配負(fù)載時(shí)的輸入端口“①”的駐波比定義為輸入駐波比，記作ρ。

⑸工作帶寬

工作帶寬是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等參數(shù)均滿足要求時(shí)的工作頻率范圍。

耦合器波導(dǎo)種類

波導(dǎo)雙孔定向耦合器是最簡(jiǎn)單的波導(dǎo)定向耦合器，主、副波導(dǎo)通過其公共窄壁上兩

個(gè)相距d=（2n 1）λg0/4 的小孔實(shí)現(xiàn)耦合其中，λg0是中心頻率所對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)，n為正整數(shù)，一般取n=0。耦合孔一般是圓形，也可以是其它形狀。當(dāng)工作在中心頻率時(shí)，βd=π/2，此時(shí)D→∞; 當(dāng)偏離中心頻率時(shí)，secβd具有一定的數(shù)值，此時(shí)D不再為無窮大。實(shí)際上雙孔耦合器即使在中心頻率上，其定向性也不是無窮大，而只能在30dB左右。

總之，波導(dǎo)雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實(shí)現(xiàn)主波導(dǎo)的定向輸出，在耦合口上同相疊加，在隔離口上反相抵消。為了增加定向耦合器的耦合度，拓寬工作頻帶，可采用多孔定向耦合器，

耦合器雙分種類

雙分支定向耦合器由主線、副線和兩條分支線組成，其中分支線

的長(zhǎng)度和間距均為中心波長(zhǎng)的1/4，如圖 5 - 15 所示。設(shè)主線入口線“①”的特性阻抗為，主線出口線“②”的特性阻抗為（k為阻抗變換比），副線隔離端“④”的特性阻抗為，副線耦合端“③”的特性阻抗為，平行連接線的特性阻抗為Z0p，兩個(gè)分支線特性阻抗分別為和。

耦合器平行種類

平行耦合微帶定向耦合器是一種反向定向耦合器，其耦合輸出端與主輸入端在同一側(cè)面，如右圖所示，端口in為輸入口,端口out為直通口，端口ocup為耦合口，端口“④”為隔離口。

隔離器也叫反向器，電磁波正向通過它時(shí)幾乎無衰減，反向通過時(shí)衰減很大。常用的隔離器有諧

振式和場(chǎng)移式兩種。

耦合器諧振式隔離器

由于鐵氧體具有各向異性，因此在恒定磁場(chǎng)Hi作用下，與Hi方向成左、右螺旋關(guān)系的左、右圓極化旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有不同的導(dǎo)磁率（分別設(shè)為μ-和μ ）。設(shè)在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點(diǎn)，沿 z方向傳輸左旋磁場(chǎng)，沿-z方向傳輸右旋磁場(chǎng)，兩者傳輸相同距離，但對(duì)應(yīng)的磁導(dǎo)率不同，故左右旋磁場(chǎng)相速不同，所產(chǎn)生相移也就不同，這就是鐵氧體相移不可逆性。另一方面，鐵氧體具有鐵磁諧振效應(yīng)和圓極化磁場(chǎng)的諧振吸收效應(yīng)。

所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應(yīng)，是指當(dāng)磁場(chǎng)的工作頻率ω等于鐵氧體的諧振角頻率ω0時(shí)，鐵氧體對(duì)微波能量的吸收達(dá)到最大值。而對(duì)圓極化磁場(chǎng)來說，左、右旋極化磁場(chǎng)具有不同的磁導(dǎo)率，從而兩者也有不同的吸收特性。

對(duì)反向傳輸?shù)挠倚龢O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為μ ，它具有鐵磁諧振效應(yīng)，而對(duì)正向傳輸?shù)淖髽O化磁場(chǎng)，磁導(dǎo)率為μ-，它不存在鐵磁諧振特性，這就是圓極化磁場(chǎng)的諧振效應(yīng)。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性制成的。

耦合器場(chǎng)移式隔離器

場(chǎng)移式隔離器是根據(jù)鐵氧體對(duì)兩個(gè)方向傳輸?shù)牟ㄐ彤a(chǎn)生的場(chǎng)移作用不同而制成的。

它在鐵氧體片側(cè)面加上衰減片，由于兩個(gè)方向傳輸所產(chǎn)生場(chǎng)的偏離不同，使沿正向（-z方向）傳輸波的電場(chǎng)偏向無衰減片的一側(cè)，而沿反向（ z方向）傳輸波的電場(chǎng)偏向衰減片的一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了正向衰減很小而反向衰減很大的隔離功能，如圖 5 - 32所示。

由于場(chǎng)移式隔離器具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且有較寬的工作頻帶等特點(diǎn)，因此在小功率場(chǎng)合得到了較為廣泛的應(yīng)用。

耦合器相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)：

表2 耦合器技術(shù)規(guī)格

光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器（雙分支，單位1×2，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀/樹狀耦合器、以及波長(zhǎng)多工器（WDM，若波長(zhǎng)屬高密度分出，即波長(zhǎng)間距窄，則屬于DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學(xué)式（Micro Optics）、光波導(dǎo)式（Wave Guide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90%）。燒結(jié)方式的制作法，是將兩條光纖并在一起燒融拉伸，使核芯聚合一起，以達(dá)光耦合作用，而其中最重要的生產(chǎn)設(shè)備是融燒機(jī)，也是其中的重要步驟，雖然重要步驟部份可由機(jī)器代工，但燒結(jié)之后，仍須人工作檢測(cè)封裝，因此人工成本約占10～15%左右，再者采用人工檢測(cè)封裝須保品質(zhì)的一致性，這也是量產(chǎn)時(shí)所必須克服的，但技術(shù)困難度不若DWDM module及光主動(dòng)元件高，因此初期想進(jìn)入光纖產(chǎn)業(yè)的廠商，大部分會(huì)從光耦合器切入，毛利則在20～30%。

國(guó)外企業(yè)有JDS、E-Tek、Oplink、Gould等，目前都已直接在大陸設(shè)廠生產(chǎn)光纖耦合器。

工業(yè)耦合器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T11918-2001《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1部分：通用要求》

GB/T11919-2001《工業(yè)用插頭插座和耦合器第2部分：帶插銷和插套的電器附件的尺寸互換性要求》

工業(yè)耦合器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

IEC60309《工業(yè)用插頭插座和耦合器第1部分：通用要求》2100433B

名稱： 8芯耦合器

型號(hào)： JX-103

1）帶狀光纖對(duì)接準(zhǔn)確可靠：JX-103 8芯耦合器采用帶芯夾具定位固定帶纖，使用精密 陶瓷V槽對(duì)接帶狀光

纖，在同一個(gè)V槽內(nèi)依次將被連接的兩根光纖對(duì)接耦合，能保證 光纖對(duì)接準(zhǔn)確可靠；

2）低對(duì)接損耗：JX-103 8芯耦合器對(duì)接損耗小，單根光纖平均損耗不大于 0.5dB；

3）體積小、重量輕、攜帶方便。