В чем измеряется коэффициент усиления

При анализе частотнозависимых устройств часто возникает необходимость в векторном представлении коэффициента передачи

• Комплексный коэффициент передачи K(jω) — отношение комплексной амплитуды (КА)Y выходной величины системы к комплексной амплитуде X входной величины синусоидальной формы при заданном значении ее частоты ω.

Комплексную амплитуду выходного сигнала Y можно вычислить умножением КА входного сигнала X на K(jω), если комплексный коэффициент передачи априори известен. Комплексный коэффициент передачи является комплексной величиной, а его компоненты зависят от частоты входного сигнала. Может быть представлен вектором на комплексной плоскости (построенная таким образом кривая называется годографом коэффициента передачи).

Измерения

• Прямое измерение — производится с помощью установок для измерения ослаблений или измерителей коэффициента передачи, в т. ч. панорамных.
• Совокупное измерение — производится с помощью измерения мощности или напряжения сигнала на выходе и на входе, и последующего расчета.
• Измерение методом сравнения — производится с помощью аттенюатора, являющегося мерой ослабления. В качестве меры коэффициента усиления, в принципе, можно применить откалиброванный измерительный усилитель, однако на практике это, как правило, не используется.
• Для измерения комплексных коэффициентов передачи применяются измерители импеданса и комплексных коэффициентов передачи, или, на сверхвысоких частотах, измерители комплексных коэффициентов и КСВ.

Литература

• Хлытчиев С.М. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов — 1985
• Словарь радиолюбителя — Л.: Энергия, 1979

Ссылки

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Коэффициент усиления" в других словарях:

коэффициент усиления — (1) Отношение длительности экспозиции без усиливающих экранов к длительности экспозиции с усиливающими экранами при одинаковых прочих условиях и при получении одинаковой оптической плотности. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и… … Справочник технического переводчика

коэффициент усиления — stiprinimo koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. amplification factor; gain vok. Übertragungsfaktor, m; Stellfaktor, m; Verstärkungsfaktor … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

коэффициент усиления — stiprinimo koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dydis, lygus stiprintuvo išėjimo ir įėjimo įtampų (srovių, galių) pokyčių dalmeniui. atitikmenys: angl. amplification factor; gain vok. Übertragungsfaktor, m;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

коэффициент усиления — stiprinimo koeficientas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. amplification factor; gain vok. Verstärkungsfaktor, m; Verstärkungskoeffizient, m rus. коэффициент усиления, m pranc. coefficient d amplification, m; facteur d amplification … Automatikos terminų žodynas

коэффициент усиления — stiprinimo koeficientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. amplification factor; amplifier gain; gain vok. Gewinn, m; Verstärkungsfaktor, m; Verstärkungsgrad, m rus. коэффициент усиления, m pranc. coefficient d’amplification, m; facteur… … Fizikos terminų žodynas

коэффициент усиления — Отношение значения величины у выхода усилительного устройства к значению величины у его входа … Политехнический терминологический толковый словарь

Коэффициент усиления антенны — отношение квадрата напряженности поля, создаваемого данной антенной, к квадрату напряженности поля, создаваемого эталонной антенной, при этом предполагается, что мощности, подводимые к обеим антеннам, одинаковы, а коэффициент полезного действия… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

коэффициент усиления (при) замкнутой цепи обратной связи — коэффициент усиления замкнутой системы — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы коэффициент усиления… … Справочник технического переводчика

коэффициент усиления (при) разомкнутой цепи обратной связи — коэффициент усиления разомкнутой системы — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы коэффициент… … Справочник технического переводчика

коэффициент усиления генераторной (модуляторной, регулирующей) лампы — коэффициент усиления Отношение изменения напряжения анода или экранирующей сетки генераторной (модуляторной, регулирующей) лампы к изменению напряжения управляющей сетки или управляющего электрода, необходимому для сохранения тока анода или… … Справочник технического переводчика

Коэффициент усиления или коэффициент передачи — это отношение выходного сигнала к входному. Используют различные варианты коэффициентов передачи. Это коэффициент передачи по напряжению, который определяется отношением амплитудных или действующих значений выходного и входного напряжений (рис. 1.1, а): Кu=Uвых/Uвх. Он определяется относительно установившегося гармонического входного сигнала.

Достаточно часто используется коэффициентом сквозной передачи или коэффициентом передачи ЭДС. Относительно этого коэффициента из рис. 1.1, а следует, что:

(1.1)

где Квх=Zвх/(Zc+Zвх) — коэффициент передачи (в комплексной форме) входной цепи, состоящей из входного сопротивления Zвх и внутреннего сопротивления эквивалентного генератора входного сигнала Zc. Очевидно, что с повышением входного сопротивления увеличивается Квх, а значит, и Кскв.

Коэффициентом усиления тока определяется соотношением:

Он используется реже, так как для измерения токов требуется осуществлять разрыв цепей, что трудоемко.

Отношение мощности усиленного колебания в нагрузке к мощности, передаваемой на вход, называется коэффициентом усиления мощности

Кр=Рн/Рвх. Все три основных коэффициента усиления (по току, напряжению и мощности) связаны между собой очевидными соотношениями:

Для сравнения мощностей двух колебаний была введена логарифмическая величина БЕЛ. Она названа по имени изобретателя телефона А. Белла. Коэффициент усиления мощности обычно выражают в более мелких единицах — децибелах: Кр, дБ = 10 IgKp.

Если мощность Рн и Рвх выделяются на одинаковых сопротивлениях (Rн=Rвx=R), то их отношение в децибелах можно выразить через отношение напряжений:

(1.3)

Это соотношение используется для выражения в децибелах коэффициента усиления напряжения даже при RнRвх ,хотя это и не корректно. В данном случае записывают К_U, дБ = 20 IgK_U. Для тока это будет Кi,дБ = 20lnKi. Логарифмические единицы удобны тем, что позволяют перемножение коэффициентов усиления заменить сложением.

1.3.4. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики

Коэффициент усиления по напряжению в комплексной форме имеет вид .Его модуль , зависящий от частоты, называетсяамплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) усилителя (рис. 1.4., а). На рис. 1.4. по горизонтали отложена угловая частота  = 2f. Для АЧХ характерно наличие области средних частот, в которой К почти не зависит от частоты и обозначается Ко (номинальный коэффициент усиления). По вертикальной оси чаще всего откладывается относительное (нормированное) усиление М = К/Ко, т.е. коэффициент усиления, отнесенный к коэффициенту усиления на средних частотах (нормированная АЧХ).

На нижних и верхних частотах АЧХ обычно спадает. Частоты, на которых нормированное усиление уменьшается до условного уровня отсчета d, называются граничными частотами усиления: fн и fв. Типовым (стандартным) уровнем отсчета считается значение d = 1/=0,707. Частоты от fн до fв, как отмечено ранее, называют полосой пропускания усилителя.

В усилителе не все спектральные составляющие сложного колебания усиливаются в одинаковое число раз. Это приводит к искажению формы сигнала (амплитудно-частотные или частотные искажения). Искажения характеризуются неравномерностью АЧХ (выражается в децибелах: 20lgM и указывается в ТУ на аппаратуру, М=К/Ко). Неравномерность нормированной АЧХ может характеризуется спадом характеристики (f) = M(f) – 1 при M(f) l.

В звуковых сигналах частотные искажения воспринимаются на слух как изменения тембра (высоты тона). В усилителях звуковых частот допускается спад величины М не более чем на 3дБ (в 1,41 раза), а в усилителях измерительной техники  не более чем на 0,1дБ.

Зависимость от частоты фазового сдвига, вносимого усилителем, характеризуют фазо-частотной характеристикой (ФЧХ) (рис. 1.4, б). Из теории цепей известно, что если ФЧХ четырехполюсника не является прямой линией, то время прохождения через четырехполюсник различных спектральных составляющих сложного колебания различно. Это приводит к

искажению сигнала, которое характеризуется изменением формы сигнала (фазочастотные искажения). На практике ФЧХ используется реже, чем АЧХ, ввиду меньшей значимости и сравнительной сложности измерения фазовых сдвигов. Однако применительно, например, к волоконно-оптическим линиям связи, подобные сдвиги различных спектральных составляющих сигнала могут привести к размыванию импульса сигнала и соответственно к потере информации. Применительно к проводным протяженным линиям связи можно также отменить существование данной проблемы, поскольку скорость распространения спектральных составляющих различных частот различна (рис. 1.5).

Частотные и фазовые искажения называются линейными, если создаются емкостями и индуктивностями схемы, являющимися линейными элементами. Они искажают лишь форму сложного колебания, изменяются соотношения амплитуд и фаз между отдельными спектральными составляющими, а форму гармонического (синусоидального) колебания не изменяют. Соответственно это не приводит к появлению новых спектральных составляющих в спектре сигнала.

Масштаб для АЧХ и ФЧХ по оси частот обычно берут логарифмический. Это позволяет растянуть график в области низких частот и сжать в области высоких частот, что обеспечивает большую наглядность.

Коэффициент усиления антенны – это тот самый момент, который может поставить в тупик даже самых продвинутых инженеров, специалистов в области радиочастотных технологий. Даже в законодательстве указано, что «Эффективная излучаемая мощность не превышает…», что опирается на мощность, подводимую ко входу антенны, помноженную на коэффициент усиления антенны. Считается, что в момент проявления коэффициента усиления антенна сама внутри себя магическим образом создает некую энергию. К несчастью, это не так. Если вы посмотрите на антенну, то увидите, что основной материал, из которого она сделана это золото, серебро, медь – эти материалы подходят лучше всего, затем идет алюминий. Сами по себе эти материалы не могут создавать энергию внутри себя.

Прежде чем начать что-то объяснять, сначала необходимо дать определение некоторым терминам, для более доходчивого объяснения, что же такое коэффициент усиления антенны.

децибел (дБ): единица измерения затуханий, служит для выражения коэффициента усиления. Коэффициент усиления имеет положительное значение, затухание – отрицательное, вычисляется по формуле:

10* log ( P на выходе/ P на входе)

Коэффициент усиления антенны: относительное увеличение излучения в пиковый момент, величина которого, выраженная в дБ, выше эталонного, в этом случае штатная антенна, антенна диполь в половину длины волны (как в случае с двухполюсными антеннами), которой измеряются все прочие антенны. Используемое обозначение известно как 0дБд (0 децибел относительно диполя). Таким образом, антенна с эффективной излучаемой мощностью в два раза выше входной мощности будет иметь коэффициент усиления 10* log (2/1) = 3дБд

На что стоит обратить внимание: Есть второе обозначение, которое характеризует коэффициент усиления антенны, но используется для того, чтобы просто придать характеристикам антенны более высокие цифры, чем есть на самом деле. Это обозначение – дБи, оно характеризует коэффициент усиления антенны относительно воображаемого изотропного излучателя – антенны, которая равномерно излучает сферические волны, распространяемые по всем направлениям. Это увеличивает коэффициент усиления антенны на 2,14 дБ, что является коэффициентом усиления антенны диполь относительно изотропного излучателя. Но это еще не начало . Об этом более подробно рассказывается в разделе "Как обмануть коэффициент усиления антенны"

Диаграмма направленности: графическое представление зависимости интенсивности излучения от угла направления антенны от перпендикуляра. Обычно график имеет круглый вид, интенсивность обозначена расстоянием от центра относительно соответствующего угла.

Все диаграммы направленности, которые показаны на этой странице, составлены для антенн с вертикально установленными элементами антенны, вид дан со стороны (т.е. под прямым углом к антенне), как показано на изображении рядом.

Угол излучения: Существует общепринятое мнение, что ширина диаграммы направленности антенны – это угол между двумя точками (в той же плоскости) между которыми излучение происходит в «половину мощности», т.е. на 3дБ меньше максимального излучения. Другие цифры, кроме 3дБ, не позволят улучшить репутацию антенны, поскольку в этом случае возникнет ощущение, что антенна имеет более широкую/узкую ширину диаграммы направленности антенны, а серьезный инженер не стал бы доверять такой конструкции.

Зона уверенного приема: Такая физико-геологическая зона, в которой принимается сигнал, обычно описывается как расстояние по радиусу от места, где расположена антенна.

Для начала давайте сначала возьмем в качестве эталона антенну диполь в половину длины волны и «поместим» ее свободно в пространстве (т.е. не будем учитывать все, что находится рядом, например крепление и т.п., которые могли бы влиять на антенну). Диаграмма направленности такой антенны обычно называется «пончик», она проиллюстрирована ниже на рисунке.

Поскольку материал не может создавать мощность, то единственной альтернативой является концентрация бесполезно израсходованной энергии, например той, которая идет в направление неба, и направление ее по нужному направлению в горизонтальной плоскости. Результат виден на соседнем рисунке. Форма излучения изменилась таким образом, что та энергия, которая расходилась в стороны, теперь сконцентрирована для усиления средней половины. В результате мощность излучаемой энергии удваивается в требуемом направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Такая концентрация энергии может быть усилена еще более, от 6дБ (в 4 раза) до 9 дБ (в 8 раз). Диаграммы видны на рисунках ниже.

Теперь ясно, для того чтобы у антенны появился коэффициент усиления, нужно всего лишь сконцентрировать ее излучение (т.е. изменить «пончик» на диаграмме до формы тонкой «лепешки»), сделав, таким образом, излучение более интенсивным вдоль горизонтальной плоскости. Антенны с излучением по всем направлениям и коэффициентом усиления выше 9дБ непрактичны в с илу того, что концентрация энергии напрямую связана с длиной (с длинах волны) антенны. Однако, есть еще один метод концентрации излучения, который позволяет направить излучение только в одном направлении.

Если рефлектор помещен рядом с антенной диполь, то вся энергия, которая бы направлялась в направлении рефлектора, теперь отражается назад в направлении антенны диполь. Таким образом, вся энергия теперь сконцентрирована только в одной полусфере, в результате излучаемая энергия удваивается в данном направлении, коэффициент усиления – 3дБ.

Дальнейшая концентрация энергии, может быть получена с помощью использования «директоров (направителей)» и, опять же, делая угол все меньше и меньше, фокусируя всю энергию в одном направлении. Таким образом достигается более высокий коэффициент усиления. Обычно достигается коэффициент усиления в 20 дБ. Эффективный угол такой антенны мал (обычно ± 10 градусов)

В случае с антеннами с направленным излучением, нужно знать еще одну величину.

Коэффициент обратного излучения антенны: Активный вибратор большинства антенн с направленным излучением – антенна диполь с диаграммой направленности в виде классического «пончика», который перпендикулярен ее оси. Задача, как было описано ранее, заключается в том, чтобы этот «пончик» преобразовать в узкий луч по направлению от антенны. Рефлектор чаще всего представляет собой обыкновенный один или несколько стержней. Даже в случае, если рефлектор — это пучок стрежней, то он не будет отражать всю энергию, т.к. она будет проходить через щели! Часть энергии будет направлена назад (или, в случае приема, будет обходить рефлектор и перехватываться антенной диполь). Запомните, в свободном пространстве антенна диполь чувствительна как по своему направлению, так и сзади, диаграмма ее направленности естественно стремиться по свое форме к «пончику».

Даже сплошной кусок металла в качестве рефлектора не сможет полностью изолировать от заднего излучения по причине дифракции. Досадно, но самые кончики металла станут причиной того, что сигнал будет поворачиваться на углах рефлектора в обратном направлении (или, в случае приема, от задней части по направлению к антенне диполь).

Коэффициент такого обратного излучения антенны определяется относительно переднего (требуемого) направления антенны и обычно выражается в дБ.

В заключение:

Антенны вовсе не производят сами собой неким магическим образом энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что возникает ощущение, будто из антенны в требуемое направление выходит больше мощности.

Насколько видно из вышеописанного, коэффициент усиления также является «потерей». Чем выше коэффициент усиления антенны, тем менее угол ее полезного использования. От внимания многих ускользает тот факт, что энергия была «украдена» у прочих направлений, а затем навязана излучению в требуемом направлении.

Это напрямую влияет на выбор антенны для конкретных целей. Выбор правильной антенны описан в разделе "Выбор правильной антенны" . .