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耦合器

 在微波系统中, 往往需将一路微波功率按比例分成几路, 这就是功率分配问题。实现这一功能的元件称为功率分配元器件耦合器, 主要包括: 定向耦合器、 功率分配器以及各种微波分支器件。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内,彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端,常见的发光源为发光二极管,受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。光电耦合器的种类较多,常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。如下图1(外形有金属圆壳封装,塑封双列直插等)。

工作原理

原理类比:
老张的南北两侧的白菜地各分了3份,老张希望通过一次性水道改动,每份地从主干水道上获得一小部分水流,水流速度和其他的地尽量相同,如图1所示。
图1  水流均分图图1 水流均分图
这样老张就可以在树荫下歇一段时间,不用再做任何的水道改动,所有的地同时浇完。
图2  耦合器实物图图2 耦合器实物图
耦合器是从无线信号主干通道中提取出一小部分信号的射频器件,如图2所示,与功分器一样都属于功率分配器件,不同的是耦合器是不等功率的分配器件。耦合器与功分器搭配使用,主要为了达到一个目标—使信号源的发射功率能够尽量平均分配到室内分布系统的各个天线口,使每个天线口的发射功率基本相同。
理想耦合器的输入端口功率等于耦合端口功率与输出端口功率之和,以瓦特(W)为单位,即
如图3所示。
图3  耦合器原理图图3 耦合器原理图
耦合器的重要指标是耦合度和插损。耦合度是耦合端口与输入端口的功率之比,以dB表示的话,一般是负值。耦合度的绝对值越大,相当于拿走的东西越少,自然耦合器的损耗就越小。插损是输出端口与输入端口的功率之比。耦合度的绝对值越大,插损的绝对值越小。
以dB表示的话,有下列关系:
那么,耦合器的插损(dB)和耦合度(dB)的关系可以表示为:
实例:
一个耦合度为−10dB的耦合器,它的插损就为−0.5dB。取绝对值,再考虑到介质损耗,一般插损会更大一些,不同厂家不一样,一般插损可取0.7dB左右。
假若输入端口功率为15dBm,那么这个耦合器的耦合端口的功率就是15dBm-10dB=5dBm,输出端口的功率就是15dBm-0.7dB=14.3dBm。
在此很多人会问这样一个问题:5dBm+14.3dBm>15dBm,能量不守恒,为什么?原因很简单,以dBm为单位的数量不能相加。
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就实现了电一光一电的转换。
⒈工作特性(以光敏三极管为例)
光电耦合器内部共模抑制比很高
耦合器耦合器
。因为发光管和受光器之间的耦合电容很小(2pF以内),共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小,因而共模抑制比很高。
⒉输出特性
光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流IF下,光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系,当IF=0时,发光二极管不发光,此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流,一般很小。当IF>0时,在一定的IF作用下,所对应的IC基本上与VCE无关。IC与IF之间的变化成线性关系,用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。
⒊光电耦合器可作为线性耦合器使用
在发光二极管上提供一个偏置电流,再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上,这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号,其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态,传输脉冲信号。在传输脉冲信号时,输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间,不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。

2光电测试

⒈用万用表判断好坏,如图3,断开输入端电源,用R×1k档测1、2
耦合器耦合器
脚电阻,正向电阻为几百欧,反向电阻几十千欧,3、4脚间电阻应为无限大。1、2脚与3、4脚间任意一组,阻值为无限大,输入端接通电源后,3、4脚的电阻很小。调节RP,3、4间脚电阻发生变化,说明该器件是好的。注:不能用R×10k档,否则导致发射管击穿。
⒉简易测试电路,当接通电源后,LED不发光,按下SB,LED会发光,调节RP、LED的发光强度会发生变化,说明被测光电耦合器是好的。

3应用范围

⒈组成开关电路
当输入信号ui为低电平时,晶体管V1处于截止状态,光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零,输出端Q11、Q12间的电阻很大,相当于开关“断开”;当ui为高电平时,v1导通,B1中发光二极管发光,Q11、Q12间的电阻变小,相当于开关“接通”.该电路因Ui为低电平时,开关不通,故为高电平导通状态.同理,因无信号(Ui为低电平)时,开关导通,故为低电平导通状态.
2.组成逻辑电路
电路为“与门”逻辑电路。其逻辑表达式为P=A.B.图中两只光敏管串联,只有当输入逻辑电平A=1、B=1时,输出P=1.同理,还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路.
3.组成隔离耦合电路
电路如图4所示.这是一个典型的交流耦合放大电路.适当选取发光回路限流电阻Rl,使B4的电流传输比为一常数,即可保证该电路的线性放大作用。
耦合器耦合器
4.组成高压稳压电路
驱动管需采用耐压较高的晶体管(图中驱动管为3DG27)。当输出电压增大时,V55 的偏压增加,B5中发光二极管的正向电流大,使光敏管极间电压减小,调整管be结偏压降低而内阻增大,使输出电压降低,而保持输出电压的稳定.
⒌组成门厅照明灯自动控制电路
A是四组模拟电子开关(S1~S4):S1,S2,S3并联(可增加驱动功率及抗干扰能力)用于延时电路,当其接通电源后经R4,B6驱动双向可控硅VT,VT直接控制门厅照明灯H;S4与外接光敏电阻Rl等构成环境光线检测电路。当门关闭时,安装在门框上的常闭型干簧管KD受到门上磁铁作用,其触点断开,S1,S2,S3处于数据开状态。晚间主人回家打开门,磁铁远离KD,KD触点闭合。此时9V电源整流后经R1向C1充电,C1两端电压很快上升到9V,整流电压经S1,S2,S3和R4使B6内发光管发光从而触发双向可控硅导通,VT亦导通,H点亮,实现自动照明控制作用。房门关闭后,磁铁控制KD,触点断开,9V电源停止对C1充电,电路进入延时状态。C1开始对R3放电,经一段时间延迟后,C1两端电压逐渐下降到S1,S2,S3的开启电压(1.5v)以下,S1,S2,S3恢复断开状态,导致B6截止,VT亦截止,H熄来,实现延时关灯功能。

4区分种类

定向种类

定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系
耦合器耦合器
在一起的两对传输系统构成的。首先介绍定向耦合器的性能指标,然后介绍波导双孔定向耦合器、双分支定向耦合器和平行耦合微带定向耦合器。
1)定向耦合器的性能指标
定向耦合器是四端口网络,端口“①”为输入端,端口“②”为直通输出端,端口“③”为耦合输出端,端口“④”为隔离端,并设其散射矩阵为[S]。描述定向耦合器的性能指标有: 耦合度、隔离度、 定向度、输入驻波比和工作带宽。下面分别加以介绍。
2)隔离度
输入端“①”的输入功率P1和隔离端“④”的输出功率P4之比定义为隔离度,记作I。
⑶定向度
耦合端“③”的输出功率P3与隔离端“④”的输出功率P4之比定义为定向度,记作D。
⑷输入驻波比
端口“②、 ③、 ④”都接匹配负载时的输入端口“①”的驻波比定义为输入驻波比,记作ρ。
⑸工作带宽
工作带宽是指定向耦合器的上述C、 I、 D、 ρ等参数均满足要求时的工作频率范围。

波导种类

波导双孔定向耦合器是最简单的波导定向耦合器,主、副波导通过其公共窄壁上两
耦合器耦合器
个相距d=(2n+1)λg0/4 的小孔实现耦合其中,λg0是中心频率所对应的波导波长,n为正整数,一般取n=0。耦合孔一般是圆形,也可以是其它形状。当工作在中心频率时,βd=π/2,此时D→∞; 当偏离中心频率时,secβd具有一定的数值,此时D不再为无穷大。实际上双孔耦合器即使在中心频率上,其定向性也不是无穷大,而只能在30dB左右。
总之,波导双孔定向耦合器是依靠波的相互干涉而实现主波导的定向输出,在耦合口上同相叠加,在隔离口上反相抵消。为了增加定向耦合器的耦合度,拓宽工作频带,可采用多孔定向耦合器,

双分种类

双分支定向耦合器由主线、副线和两条分支线组成,其中分支线
耦合器耦合器
的长度和间距均为中心波长的1/4,如图 5 - 15 所示。设主线入口线“①”的特性阻抗为,主线出口线“②”的特性阻抗为(k为阻抗变换比),副线隔离端“④”的特性阻抗为,副线耦合端“③”的特性阻抗为,平行连接线的特性阻抗为Z0p,两个分支线特性阻抗分别为和。

 

 

平行种类

平行耦合微带定向耦合器是一种反向定向耦合器,其耦合输出端与主输入端在同一侧面,如右图所示,端口in为输入口,端口out为直通口,端口ocup为耦合口,端口“④”为隔离口。

5耦合分配器技术规范(室内分布)

表2 耦合器技术规格
项目
规格
5dB
7dB
10dB
15dB
20dB
插入损耗
≤1.7dB
≤1.2dB
≤0.7dB
≤0.3dB
≤0.3dB
VSW驻波比
≤1.4
耦合损耗
5dB
7dB
10dB
15dB
20dB
最大输入功率
15W
连接器(接口)类型
N-Female

6隔离器

隔离器也叫反向器,电磁波正向通过它时几乎无衰减,反向通过时衰减很大。常用的隔离器有谐

耦合器
振式和场移式两种。

谐振式隔离器

由于铁氧体具有各向异性,因此在恒定磁场Hi作用下,与Hi方向成左、右螺旋关系的左、右圆极化旋转磁场具有不同的导磁率(分别设为μ-和μ+)。设在含铁氧体材料的微波传输线上的某一点,沿+z方向传输左旋磁场,沿-z方向传输右旋磁场,两者传输相同距离,但对应的磁导率不同,故左右旋磁场相速不同,所产生相移也就不同,这就是铁氧体相移不可逆性。另一方面,铁氧体具有铁磁谐振效应和圆极化磁场的谐振吸收效应。
所谓铁氧体的铁磁谐振效应,是指当磁场的工作频率ω等于铁氧体的谐振角频率ω0时,铁氧体对微波能量的吸收达到最大值。而对圆极化磁场来说,左、右旋极化磁场具有不同的磁导率,从而两者也有不同的吸收特性。
对反向传输的右旋极化磁场,磁导率为μ+,它具有铁磁谐振效应,而对正向传输的左极化磁场,磁导率为μ-,它不存在铁磁谐振特性,这就是圆极化磁场的谐振效应。铁氧体谐振式隔离器正是利用了铁氧体的这一特性制成的。

场移式隔离器

场移式隔离器是根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的。
它在铁氧体片侧面加上衰减片,由于两个方向传输所产生场的偏离不同,使沿正向(-z方向)传输波的电场偏向无衰减片的一侧,而沿反向(+z方向)传输波的电场偏向衰减片的一侧,从而实现了正向衰减很小而反向衰减很大的隔离功能,如图 5 - 32所示。
由于场移式隔离器具有体积小,重量轻,结构简单且有较宽的工作频带等特点,因此在小功率场合得到了较为广泛的应用。