4. Измерение затуханий и усилений

Общие сведения. В проводной связи уменьшение мощности гармонического сигнала, передаваемого через четырехполюсник, оценивается в основном собственным или рабочим затуханием и реже — вноси­мым затуханием.

Усиление мощности оценивается рабочим усилением. Иногда используют понятие "усиление напряжения". Условия передачи многочастотных сигналов оценивают частотными зависимостями затухания и усиления — амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ), зависимостями затухания и усиления от уровня гармонического сигнала — амплитудными (АХ) и фазочастотными (ФЧХ) характеристиками.

Степень взаимных влияний между цепями, трактами и каналами связи характеризуется переходным затуханием и его частотной зави­симостью.

Для оценки степени согласования элементов трактов (четырехпо­люсников), асимметрии их входных и выходных сопротивлений отно­сительно земли (корпуса аппаратуры) применяют понятия "затухание несогласованности" и "затухание асимметрии". Объединяющим при­знаком измерения перечисленных параметров является применение измерительных генераторов гармонических сигналов, измерителей уровня, магазинов затуханий, а также некоторых дополнительных ус­тройств.

Измерение собственного (характеристического) затухания. Собственное (характеристическое) затухание определяется выраженным в логарифмических единицах отношением полной мощности на входе четырехполюсника Р_вх к полной мощности на его выходе Р_н, нагружен­ном на согласованное (характеристическое) сопротивление (рис. 4.5):

Рисунке 4.5. Схема определения для собственного затухания

Для симметричного четырехполюсника Z_c1 — Z_c2

Собственное затухание зависит только от параметров четырехполюсника.

Прямые методы точного измерения собственного затухания, могут быть реализованы только при активных и не зависящих от частоты характеристических сопротивлениях Z_c1 = R_c1 и Z_c2 — R_c2). Некото­рые методы измерения а_с приведены в [15].

Если дБ, то собственное затухание может быть опреде­лено по измеренным входным сопротивлениям холостого хода Z_xx = Z_xxe^jφ_xx и короткого замыкания :

где ,

4.1 Условия измерений рабочего затухания и рабочего усиления.

В реальных трактах передачи практически невозможно обеспечить точ­ное согласование сопротивлений источника ИС и приемника ПС сиг­нала с характеристическими сопротивлениями четырехполюсника (рис. 4.6). Рабочее затухание и рабочее усиление определяют условия передачи сигналов через четырехполюсник ИЧ при несогласованных с ним сопротивлениях источника и приемника сигнала.

Рабочее затухание определяется выраженным в логарифмических единицах отношением полной мощности, которую источник гармони­ческого сигнала (генератор) с выходным сопротивлением Z_r (рис. 4.7, а) может отдать согласованной с ним нагрузке, к полной мощности, которую этот источник отдает приемнику (нагрузке) с сопротивлением Z_H (рис. 4.7, б) через данный четырехполюсник, дБ,

Рисунке 4.6. Схема включения четырехпо­люсника

Рисунке 4.7. Схемы определения рабочего затухания

(4.8)

При затухание отрицательно, что соответствует усилению мощности. Рабочее усиление определяется обратным отно­шением тех же мощностей, дБ,

или, Нп,

Для точного измерения рабочего затухания и усиления выходное сопротивление измерительного генератора должно быть равно по мо­дулю и углу выходному сопротивлению источника сигнала, а сопротив­ление нагрузки — входному сопротивлению приемника, между кото­рыми включен четырехполюсник в рабочих условиях (см. рисунке 4.6, 4.7):

,

Выполнение этого условия затруднительно.

Измерительные генераторы имеют активное выходное сопротивле­ние. Для обеспечения заданного чисто активного выходного сопротив­ления на выходе генератора включают удлинитель или магазин зату­хания. Углы входных и выходных сопротивлений элементов тракта передачи при разработке стремятся сделать малыми. Поэтому доста­точная для большинства случаев точность измерения обеспечивается при активных сопротивлениях генератора и нагрузки, равных модулям сопротивлений источника и приемника сигнала:

, (4.9)

В тех случаях, когда допустимо некоторое расхождение измеренно­го рабочего затухания (усиления) с фактическим значением в реальной схеме включения, сопротивления генератора и нагрузки выбирают равными номинальным сопротивлениям источника и приемника сигна­ла:

, (4.10)

Существуют два метода измерения рабочего затухания и усиления: метод известного генератора и метод эквивалентного генератора. Первый применяют в том случае, если имеется измерительный генератор с требуемым по условиям и выходным сопротивлением, противном случае используют второй метод.

Измерение рабочего затухания и рабочего усиления методом известного генератора. Измерение рабочего затухания по разности уровней выполняют по схеме (рисунке 4.8). Сопротивления измерительного генератора и нагрузки выбираются по условию выражения (4.9). Измеритель уровня ИУ должен иметь высокое входное сопротивление.

Рисунке 4.8. Схема измерения рабочего затухания и усиления методом изве­стного генератора по разности уровней

Измерение рабочего затухания способом сравнения выполня­ют для исключения погрешности, вносимой измерителем уровня по схеме (рис. 4.9). Для реализации схемы необходим магазин затуханий МЗ с характеристическим сопротивлением R₀—R_r. Вы­ходное сопротивление генератора R_r и R_H выбирают по условию выражения (4.9). Измеритель уровня ИУ имеет входное сопротивление Z_BX ≥ R_H. Магазин затуханий МЗ включен согласо­ванно, поэтому

,

При измерениях рабочего затухания изменением а_м добиться равенства

P₀=P_н

Тогда рабочее затухание

При R_н=R_Г, а_р=а_ь.

Погрешность измерений определяют погрешностью градуировки

магазина затуханий.

Измерение рабочего усиления способом сравнения осуществляют по схеме (рисунок 4.10). Для реализации схемы необходимы два магазина затуханий М31 и М32 с характеристическими сопротивлениями R_o1= Rr и R_o2 =R_н Сопротивления R_r и R_н выбирают по условию выра­жения (4.9) или. Измеритель уровня ИУ имеет входное сопротив­ление Z_BX ≥R_n. Если магазин затуханий М31, являющийся источником сигнала для измеряемого четырехполюсника ИЧ, будет нагружен на согласованное сопротивление , то

(4.13)

Уровни напряжения на входе и выходе согласованного с нагрузкой магазина затуханий М32 связаны соотношением

(4.14)

Подставим выражения (4.13) и (4.14) в формулу (4.12):

Рисунке 4.9. Схема измерения рабочего затухания методом известного генератора способом сравнения

Рисунке 4.10. Схема измерения усиления методом известного генератора способом сравнения

Если R_T=R_H, то S_v=a_Ml+a_M2.

4.2 Измерение рабочего затухания и рабочего усиления методом эквивалентного генератора. Метод эквивалентного генератора (метод Z) применяют в тех случаях, когда нет измерительного генератора с требуемым выходным сопротивлением. Суть метода поясняет рисунок 4.12. Для схемы (рисунка 4.12.) а) измерительный генератор ИГ с э. д. с. и внутренним сопротивлением Z_r создает на входе измеряемого объекта с сопротивлением Z_BX ток 1_вх1= / (Z_r+Z_BX). Для схемы (рисунка 4.12), б) I_Bx2=U_l I (Z₁+Z_BX). В обоих случаях одинаковая полная мощность на входе измеряемого объекта будет при I_вх1=I_вх2

Отсюда следует, что напряжение на зажимах генератора с произвольным выходным сопротивлением U_v и последовательно включенным сопротивлением Z₁ будет эквивалентно э. д. с. генератора с выходным сопротивлением Z_r, а сопротивление Z₁ является выходным сопротив­лением эквивалентного генератора.

Рисунок 4.11. Условия эквивалентности генераторов

Измерение рабочего затухания способом сравнения выполняют по схеме (рисунка 4.13). Сопротивления R₁ и R_H выбирают по выражению (4.9) или (4.10). Характеристическое сопротивление магазина затуханий МЗ может быть произвольным, что и является достоинством метода.

На основании выражения (4.15) можно написать

и

Рисунок 4.12. Схема измерения рабочего затухания и усиления методом экви­валентного генератора по разности уровней

Рисунок 4.13. Схема измерения рабочего затухания методом эквивалентного генератора способом сравнения

Так как р₁ одно и то же в обоих выражениях, то

Изменением затухания а_м добиваются равенства уровней р’_н=р_н- В этом случае рабочее затухание

, a при

Погрешность измерения определяется погрешностью калибровки магазина затуханий.