[科普中国]-耦合损耗

耦合损耗（coupling loss）指能量从一个电路或其中某个元件传播到另一个电路时发生的能量损耗。耦合损耗的单位为瓦特或分贝。

概述在光导纤维中，当耦合光从一种光学设备转换到另一种光学介质时，同样也会考虑耦合损耗。

光纤中的耦合损耗是指将光从一个光学器件或介质耦合到另一个时发生的功率损耗。

耦合损耗源于多种不同的因素。在电子耦合中，参与耦合两部分阻抗的不匹配造成部分能量在界面处发生反射。同理，在光学系统里，如果折射率发生突变，能量也会被反射到能量来源的哪一端。

光耦合损耗的另一个主要来源是几何形状。例如，端对端耦合的两根光纤可能没有精确对准，导致两个芯稍微重叠。在光纤芯线未与接收光纤的芯线对齐的部分处从光纤出射的光将不会（通常）耦合到第二光纤中。尽管一些这样的光将被耦合到第二光纤中，但不可能被有效地耦合，也不会在第二光纤中以适当的模式行进。

类似地，即使对于两个完全对齐的芯，在两根光纤之间存在任何显着距离的间隙的情况下，由于光束的扩散，也会有一些几何损失。离开源光纤面的一部分光线不会与其入射锥内的第二光纤相交。1

耦合在电子学和电信领域，耦合（coupling）是指能量从一个介质（例如一个金属线、光导纤维）传播到另一种介质的过程。

在电子学中，耦合指从一个电路部分到另一个电路部分的能量传递。例如，通过电导性耦合（Conductivecoupling），能量从一个电压源传播到负载上。利用电容器允许通过交流成分、阻挡直流成分的性质，可以将电路的交流部分和直流部分耦合起来。变压器也可以充当耦合介质，通过在两端配置适当的阻抗，可以达到适当的阻抗匹配。2

光纤耦合损耗原理与计算理想情况下，在光纤元件之间耦合的光信号在没有光损失的情况下被传输。然而，在光纤连接处总会存在一些类型的缺陷，导致光损失。光纤连接中的光功率损失量是系统设计人员所关心的问题。

光纤系统的设计取决于光源从光源发射到光纤中的光量以及光纤元件之间耦合了多少光，例如从一个光纤到另一个光纤。从光源发射到光纤的功率量取决于光源和光纤的光学特性。发射到光纤中的光功率量取决于光源的辐射。光源的辐射亮度是衡量其光功率发射能力的一个指标。光度是单位面积的发射面每单位时间在特定方向上发射的光功率的量。对于大多数类型的光源来说，只有一小部分由光源发射的功率射入光纤。

通过连接的光功率的损失被定义为类似于通过光纤的信号衰减。光损耗也是一个对数关系。通过连接的光功率损失定义为：

例如，Po是光纤到光纤连接中从源光纤发射的功率。Pi是连接的光纤所接受的功率。在任何光纤连接中，Po和Pi分别是在接头之前和之后测量的光功率水平。

光纤到光纤的连接损耗受内在和外在耦合损耗的影响。固有耦合损耗是由固有的光纤特性引起的。外部耦合损失是由连接技术引起的。光纤到光纤的连接损耗由于内部和外部耦合损耗的下列原因而增加：反射损失、纤维分离、侧向错位、角度不对齐、芯和包层直径不匹配、数值孔径（NA）不匹配、折射率分布差等。

通过减少连接的光纤之间的光纤不匹配来限制固有耦合损耗。这是通过只采购符合严格的几何和光学规格的光纤来完成的。通过正确的连接程序来限制外部耦合损耗。

一些光纤组件是模块化设备，旨在减少组件之间的耦合损耗。模块化组件可以很容易地从任何系统插入或移除。例如，光纤发射器和接收器是模块化组件。光纤发射器和接收器是通常用光纤尾纤或光纤连接器制造的器件，如图1所示。光纤尾纤是固定在光源或探测器上的一小段光纤（通常长度不超过1米）。制造商提供带尾纤和连接器的发射器和接收器，因为光纤耦合源和探测器必须在制造过程中完成。当源到光纤和光纤到探测器耦合在受控的制造环境中完成时，会降低耦合损耗。由于光源和探测器是尾纤或连接器，所以发射光功率被降低到将光从一根光纤耦合到另一根光纤。实际上，大多数光纤连接可以被认为是光纤到光纤。3

应用最小耦合损耗最小耦合损耗（MinimumCouplingLoss，MCL）是由WCDMA设备厂家提出的，定义了基站和手机的发射部分、接收部分之间最小的耦合损耗。MCL的值由两部分组成：手机到天线的自由空间损耗和天线到基站接收机的天馈系统损耗。

假如MCL损耗过小，则手机到达基站侧的功率就过大，会增加整个扇区的底噪声，造成干扰。可见MCL概念的引入，是因为CDMA系统是干扰受限系统，虽然手机到基站接收侧的功率由手机发射功率和中间损耗共同决定，但手机的行为是网络不可完全控制的，所以定义中间损耗仍然有意义。

假设最小耦合损耗为45dB，手机最小发射功率-50dbm引起了约9dB的噪声抬高，这意味着基站端所需要的功率升高9dB，或者保证服务的最小能噪比的降低。当MCL高于65dB时，由UE最小发射功率所引起的噪声电平的抬高将忽略不计。

MCL的值由2部分组成：手机到天线的自由空间损耗，和天线口到基站接收机的天馈系统损耗。手机到天线的最小空间损耗，通常我们取值1米的空间损耗38.5dB。天馈系统损耗主要包括馈线传输损耗、器件分配损耗等，在室内分布系统中，上/下行天馈系统损耗相等。因此我们可以通过计算下行天馈系统损耗来等效上行取值，因此天馈系统损耗=基站发射功率-天线口发射功率。

若MCL≥65dB满足系统要求，假设基站发射导频功率为33dBm，则室内天线口发射功率必须满足以下要求：
MCL=38.5dB+（33-天线口功率）≥65dB。

由此计算出当天线口功率≤6.5dBm，MCL满足系统要求。因为基站输出功率基本固定，只要测量天线口功率，就可以知道（下行的）天馈损耗，从而等效知道上行的MCL是否满足要求。推理，MCL值决定了室内分布系统应采用小功率多天线的设计方式。4

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所