[科普中國]-耦合損耗

耦合損耗（coupling loss）指能量從一個電路或其中某個元件傳播到另一個電路時發(fā)生的能量損耗。耦合損耗的單位為瓦特或分貝。

概述在光導(dǎo)纖維中，當(dāng)耦合光從一種光學(xué)設(shè)備轉(zhuǎn)換到另一種光學(xué)介質(zhì)時，同樣也會考慮耦合損耗。

光纖中的耦合損耗是指將光從一個光學(xué)器件或介質(zhì)耦合到另一個時發(fā)生的功率損耗。

耦合損耗源于多種不同的因素。在電子耦合中，參與耦合兩部分阻抗的不匹配造成部分能量在界面處發(fā)生反射。同理，在光學(xué)系統(tǒng)里，如果折射率發(fā)生突變，能量也會被反射到能量來源的哪一端。

光耦合損耗的另一個主要來源是幾何形狀。例如，端對端耦合的兩根光纖可能沒有精確對準(zhǔn)，導(dǎo)致兩個芯稍微重疊。在光纖芯線未與接收光纖的芯線對齊的部分處從光纖出射的光將不會（通常）耦合到第二光纖中。盡管一些這樣的光將被耦合到第二光纖中，但不可能被有效地耦合，也不會在第二光纖中以適當(dāng)?shù)哪Ｊ叫羞M(jìn)。

類似地，即使對于兩個完全對齊的芯，在兩根光纖之間存在任何顯著距離的間隙的情況下，由于光束的擴散，也會有一些幾何損失。離開源光纖面的一部分光線不會與其入射錐內(nèi)的第二光纖相交。1

耦合在電子學(xué)和電信領(lǐng)域，耦合（coupling）是指能量從一個介質(zhì)（例如一個金屬線、光導(dǎo)纖維）傳播到另一種介質(zhì)的過程。

在電子學(xué)中，耦合指從一個電路部分到另一個電路部分的能量傳遞。例如，通過電導(dǎo)性耦合（Conductivecoupling），能量從一個電壓源傳播到負(fù)載上。利用電容器允許通過交流成分、阻擋直流成分的性質(zhì)，可以將電路的交流部分和直流部分耦合起來。變壓器也可以充當(dāng)耦合介質(zhì)，通過在兩端配置適當(dāng)?shù)淖杩梗梢赃_(dá)到適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ洹?

光纖耦合損耗原理與計算理想情況下，在光纖元件之間耦合的光信號在沒有光損失的情況下被傳輸。然而，在光纖連接處總會存在一些類型的缺陷，導(dǎo)致光損失。光纖連接中的光功率損失量是系統(tǒng)設(shè)計人員所關(guān)心的問題。

光纖系統(tǒng)的設(shè)計取決于光源從光源發(fā)射到光纖中的光量以及光纖元件之間耦合了多少光，例如從一個光纖到另一個光纖。從光源發(fā)射到光纖的功率量取決于光源和光纖的光學(xué)特性。發(fā)射到光纖中的光功率量取決于光源的輻射。光源的輻射亮度是衡量其光功率發(fā)射能力的一個指標(biāo)。光度是單位面積的發(fā)射面每單位時間在特定方向上發(fā)射的光功率的量。對于大多數(shù)類型的光源來說，只有一小部分由光源發(fā)射的功率射入光纖。

通過連接的光功率的損失被定義為類似于通過光纖的信號衰減。光損耗也是一個對數(shù)關(guān)系。通過連接的光功率損失定義為：

例如，Po是光纖到光纖連接中從源光纖發(fā)射的功率。Pi是連接的光纖所接受的功率。在任何光纖連接中，Po和Pi分別是在接頭之前和之后測量的光功率水平。

光纖到光纖的連接損耗受內(nèi)在和外在耦合損耗的影響。固有耦合損耗是由固有的光纖特性引起的。外部耦合損失是由連接技術(shù)引起的。光纖到光纖的連接損耗由于內(nèi)部和外部耦合損耗的下列原因而增加：反射損失、纖維分離、側(cè)向錯位、角度不對齊、芯和包層直徑不匹配、數(shù)值孔徑（NA）不匹配、折射率分布差等。

通過減少連接的光纖之間的光纖不匹配來限制固有耦合損耗。這是通過只采購符合嚴(yán)格的幾何和光學(xué)規(guī)格的光纖來完成的。通過正確的連接程序來限制外部耦合損耗。

一些光纖組件是模塊化設(shè)備，旨在減少組件之間的耦合損耗。模塊化組件可以很容易地從任何系統(tǒng)插入或移除。例如，光纖發(fā)射器和接收器是模塊化組件。光纖發(fā)射器和接收器是通常用光纖尾纖或光纖連接器制造的器件，如圖1所示。光纖尾纖是固定在光源或探測器上的一小段光纖（通常長度不超過1米）。制造商提供帶尾纖和連接器的發(fā)射器和接收器，因為光纖耦合源和探測器必須在制造過程中完成。當(dāng)源到光纖和光纖到探測器耦合在受控的制造環(huán)境中完成時，會降低耦合損耗。由于光源和探測器是尾纖或連接器，所以發(fā)射光功率被降低到將光從一根光纖耦合到另一根光纖。實際上，大多數(shù)光纖連接可以被認(rèn)為是光纖到光纖。3

應(yīng)用最小耦合損耗最小耦合損耗（MinimumCouplingLoss，MCL）是由WCDMA設(shè)備廠家提出的，定義了基站和手機的發(fā)射部分、接收部分之間最小的耦合損耗。MCL的值由兩部分組成：手機到天線的自由空間損耗和天線到基站接收機的天饋系統(tǒng)損耗。

假如MCL損耗過小，則手機到達(dá)基站側(cè)的功率就過大，會增加整個扇區(qū)的底噪聲，造成干擾?？梢奙CL概念的引入，是因為CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，雖然手機到基站接收側(cè)的功率由手機發(fā)射功率和中間損耗共同決定，但手機的行為是網(wǎng)絡(luò)不可完全控制的，所以定義中間損耗仍然有意義。

假設(shè)最小耦合損耗為45dB，手機最小發(fā)射功率-50dbm引起了約9dB的噪聲抬高，這意味著基站端所需要的功率升高9dB，或者保證服務(wù)的最小能噪比的降低。當(dāng)MCL高于65dB時，由UE最小發(fā)射功率所引起的噪聲電平的抬高將忽略不計。

MCL的值由2部分組成：手機到天線的自由空間損耗，和天線口到基站接收機的天饋系統(tǒng)損耗。手機到天線的最小空間損耗，通常我們?nèi)≈?米的空間損耗38.5dB。天饋系統(tǒng)損耗主要包括饋線傳輸損耗、器件分配損耗等，在室內(nèi)分布系統(tǒng)中，上/下行天饋系統(tǒng)損耗相等。因此我們可以通過計算下行天饋系統(tǒng)損耗來等效上行取值，因此天饋系統(tǒng)損耗=基站發(fā)射功率-天線口發(fā)射功率。

若MCL≥65dB滿足系統(tǒng)要求，假設(shè)基站發(fā)射導(dǎo)頻功率為33dBm，則室內(nèi)天線口發(fā)射功率必須滿足以下要求：
MCL=38.5dB+（33-天線口功率）≥65dB。

由此計算出當(dāng)天線口功率≤6.5dBm，MCL滿足系統(tǒng)要求。因為基站輸出功率基本固定，只要測量天線口功率，就可以知道（下行的）天饋損耗，從而等效知道上行的MCL是否滿足要求。推理，MCL值決定了室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)采用小功率多天線的設(shè)計方式。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所