耦合器:工作原理,光電測試,套用,區分種類,定向種類,波導種類,雙分種類,平行種類

在微波系統中，往往需將一路微波功率按比例分成幾路，這就是功率分配問題。實現這一功能的元件稱為功率分配元器件即耦合器，主要包括：定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件。

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發光源和受光器兩部分組成。把發光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發光源為發光二極體，受光器為光敏二極體、光敏三極體等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極體型、光電三極體型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、積體電路型等。如下圖1（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等）。

基本介紹

中文名：耦合器
外文名：Coupler
主要包括：定向耦合器、功率分配器
組成：發光源和受光器
技術規範：耦合器技術規範

工作原理,光電測試,套用,區分種類,定向種類,波導種類,雙分種類,平行種類,耦合器技術規範（室內分布）,隔離器,諧振式隔離器,場移式隔離器,

工作原理

原理類比：

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

耦合器是從無線信號主幹通道中提取出一小部分信號的射頻器件，如圖2所示，與功分器一樣都屬於功率分配器件，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，主要為了達到一個目標—使信號源的發射功率能夠儘量平均分配到室內分布系統的各個天線口，使每個天線口的發射功率基本相同。

理想耦合器的輸入連線埠功率等於耦合連線埠功率與輸出連線埠功率之和，以瓦特（W）為單位，即

如圖3所示。

耦合器的重要指標是耦合度和插損。耦合度是耦合連線埠與輸入連線埠的功率之比，以dB表示的話，一般是負值。耦合度的絕對值越大，相當於拿走的東西越少，自然耦合器的損耗就越小。插損是輸出連線埠與輸入連線埠的功率之比。耦合度的絕對值越大，插損的絕對值越小。

以dB表示的話，有下列關係：

那么，耦合器的插損（dB）和耦合度（dB）的關係可以表示為：

實例：

一個耦合度為−10dB的耦合器，它的插損就為−0.5dB。取絕對值，再考慮到介質損耗，一般插損會更大一些，不同廠家不一樣，一般插損可取0.7dB左右。

假若輸入連線埠功率為15dBm，那么這個耦合器的耦合連線埠的功率就是15dBm-10dB=5dBm，輸出連線埠的功率就是15dBm-0.7dB=14.3dBm。

在此很多人會問這樣一個問題：5dBm+14.3dBm>15dBm，能量不守恆，為什麼？原因很簡單，以dBm為單位的數量不能相加。

在光電耦合器輸入端加電信號使發光源發光，光的強度取決於激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上後，因光電效應而產生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現了電一光一電的轉換。

⒈工作特性（以光敏三極體為例）

光電耦合器內部共模抑制比很高。因為發光管和受光器之間的耦合電容很小（2pF以內），共模輸入電壓通過極間耦合電容對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之間的關係，當IF=0時，發光二極體不發光，此時的光敏電晶體集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當IF>0時，在一定的IF作用下，所對應的IC基本上與VCE無關。IC與IF之間的變化成線性關係，用半導體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極體輸出特性相似。

⒊光電耦合器可作為線性耦合器使用

在發光二極體上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發光二極體上，這樣光電電晶體接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作於開關狀態，傳輸脈衝信號。在傳輸脈衝信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。

光電測試

⒈用萬用表判斷好壞，如圖3，斷開輸入端電源，用R×1k檔測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，輸入端接通電源後，3、4腳的電阻很小。調節RP，3、4間腳電阻發生變化，說明該器件是好的。註：不能用R×10k檔，否則導致發射管擊穿。

⒉簡易測試電路，當接通電源後，LED不發光，按下SB，LED會發光，調節RP、LED的發光強度會發生變化，說明被測光電耦合器是好的。

套用

⒈組成開關電路

當輸入信號ui為低電平時，電晶體V1處於截止狀態，光電耦合器B1中發光二極體的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當於開關“斷開”；當ui為高電平時，v1導通，B1中發光二極體發光，Q11、Q12間的電阻變小，相當於開關“接通”．該電路因Ui為低電平時，開關不通，故為高電平導通狀態．同理，因無信號（Ui為低電平）時，開關導通，故為低電平導通狀態．

2．組成邏輯電路

電路為“與門”邏輯電路。其邏輯表達式為P=A．B.圖中兩隻光敏管串聯，只有當輸入邏輯電平A=1、B=1時，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．這是一個典型的交流耦合放大電路．適當選取發光迴路限流電阻Rl，使B4的電流傳輸比為一常數，即可保證該電路的線性放大作用。

4．組成高壓穩壓電路

驅動管需採用耐壓較高的電晶體（圖中驅動管為3DG27）。當輸出電壓增大時，V55 的偏壓增加，B5中發光二極體的正向電流增大，使光敏管極間電壓減小，調整管be結偏壓降低而內阻增大，使輸出電壓降低，而保持輸出電壓的穩定．

⒌組成門廳照明燈自動控制電路

A是四組模擬電子開關（S1~S4）：S1，S2，S3並聯（可增加驅動功率及抗干擾能力）用於延時電路，當其接通電源後經R4，B6驅動雙向可控矽VT，VT直接控制門廳照明燈H；S4與外接光敏電阻Rl等構成環境光線檢測電路。當門關閉時，安裝在門框上的常閉型乾簧管KD受到門上磁鐵作用，其觸點斷開，S1，S2，S3處於數據開狀態。晚間主人回家打開門，磁鐵遠離KD，KD觸點閉合。此時9V電源整流後經R1向C1充電，C1兩端電壓很快上升到9V，整流電壓經S1，S2，S3和R4使B6內發光管發光從而觸發雙向可控矽導通，VT亦導通，H點亮，實現自動照明控制作用。房門關閉後，磁鐵控制KD，觸點斷開，9V電源停止對C1充電，電路進入延時狀態。C1開始對R3放電，經一段時間延遲後，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恢復斷開狀態，導致B6截止，VT亦截止，H熄來，實現延時關燈功能。

區分種類

定向種類

定向耦合器是一種具有定向傳輸特性的四連線埠元件，它是由耦合裝置聯繫在一起的兩對傳輸系統構成的。首先介紹定向耦合器的性能指標，然後介紹波導雙孔定向耦合器、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

定向耦合器是四連線埠網路，連線埠“①”為輸入端，連線埠“②”為直通輸出端，連線埠“③”為耦合輸出端，連線埠“④”為隔離端，並設其散射矩陣為[S]。描述定向耦合器的性能指標有：耦合度、隔離度、定向度、輸入駐波比和工作頻寬。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

連線埠“②、 ③、 ④”都接匹配負載時的輸入連線埠“①”的駐波比定義為輸入駐波比，記作ρ。

⑸工作頻寬

工作頻寬是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等參數均滿足要求時的工作頻率範圍。

波導種類

波導雙孔定向耦合器是最簡單的波導定向耦合器，主、副波導通過其公共窄壁上兩

個相距d=（2n+1）λg0/4 的小孔實現耦合其中，λg0是中心頻率所對應的波導波長，n為正整數，一般取n=0。耦合孔一般是圓形，也可以是其它形狀。當工作在中心頻率時，βd=π/2，此時D→∞; 當偏離中心頻率時，secβd具有一定的數值，此時D不再為無窮大。實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，波導雙孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而實現主波導的定向輸出，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，可採用多孔定向耦合器，

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

的長度和間距均為中心波長的1/4，如圖 5 - 15 所示。設主線入口線“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，平行連線線的特性阻抗為Z0p，兩個分支線特性阻抗分別為和。

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面，如右圖所示，連線埠in為輸入口,連線埠out為直通口，連線埠ocup為耦合口，連線埠“④”為隔離口。

耦合器技術規範（室內分布）

表2 耦合器技術規格

項目	規格
項目	5dB	7dB	10dB	15dB	20dB
插入損耗	≤1.7dB	≤1.2dB	≤0.7dB	≤0.3dB	≤0.3dB
VSW駐波比	≤1.4
耦合損耗	5dB	7dB	10dB	15dB	20dB
最大輸入功率	15W
連線器（接口）類型	N-Female

隔離器

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

振式和場移式兩種。

諧振式隔離器

由於鐵氧體具有各向異性，因此在恆定磁場Hi作用下，與Hi方向成左、右螺旋關係的左、右圓極化旋轉磁場具有不同的導磁率（分別設為μ-和μ+）。設在含鐵氧體材料的微波傳輸線上的某一點，沿+z方向傳輸左旋磁場，沿-z方向傳輸右旋磁場，兩者傳輸相同距離，但對應的磁導率不同，故左右旋磁場相速不同，所產生相移也就不同，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和圓極化磁場的諧振吸收效應。

所謂鐵氧體的鐵磁諧振效應，是指當磁場的工作頻率ω等於鐵氧體的諧振角頻率ω0時，鐵氧體對微波能量的吸收達到最大值。而對圓極化磁場來說，左、右旋極化磁場具有不同的磁導率，從而兩者也有不同的吸收特性。

對反向傳輸的右旋極化磁場，磁導率為μ+，它具有鐵磁諧振效應，而對正向傳輸的左極化磁場，磁導率為μ-，它不存在鐵磁諧振特性，這就是圓極化磁場的諧振效應。鐵氧體諧振式隔離器正是利用了鐵氧體的這一特性製成的。

場移式隔離器

場移式隔離器是根據鐵氧體對兩個方向傳輸的波型產生的場移作用不同而製成的。

它在鐵氧體片側面加上衰減片，由於兩個方向傳輸所產生場的偏離不同，使沿正向（-z方向）傳輸波的電場偏向無衰減片的一側，而沿反向（+z方向）傳輸波的電場偏向衰減片的一側，從而實現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。

由於場移式隔離器具有體積小，重量輕，結構簡單且有較寬的工作頻帶等特點，因此在小功率場合得到了較為廣泛的套用。

耦合器相關專業術語：

1.	acoustic coupler 聲耦合器
2.	access coupler 存取耦合器
3.	broadband directional coupler 寬頻帶定向耦合器
4.	coupler,token ring interface (TIC) 令牌環接口耦合器
5.	coupler,star 星形耦合器
6.	coupler,fused fiber 熔接式光纖耦合器
7.	coupler,broadband directional 寬頻帶定向耦合器
8.	coupler,acoustic 聲耦合器
9.	coupler 耦合器
10.	directional coupler 定向耦合器
11.	fused fiber coupler 熔接式光纖耦合器
12.	token-ring interface coupler (TIC) 令牌環接口耦合器
13.	Token Ring Interface Coupler 令牌環接口耦合器

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