基本介紹
- 中文名：增益
- 外文名：Gain
- 領域：電子學、通信
- 定義：放大倍數
- 有關增益：天線增益、放大器增益
- 套用：放大電路
簡介,常見增益,天線增益,放大器增益,功率增益,環路增益,其他術語,帶外,光學通信,
簡介
增益一般指對元器件、電路、設備或系統，其電流、電壓或功率增加的程度，以分貝(dB)數來規定，即增益的單位一般是分貝（dB），是一個相對值。電子學上常使用對數單位量度增益，並以貝（bel）作為單位：
- Gain = log10(P2/P1) bel
其中P1與P2分別為輸入及輸出的功率。
由於增益的數值通常都很大，因此一般都使用分貝（dB，貝的10分之1）來表示：
- Gain = 10×log10(P2/P1) dB
這就是增益的絕對值與相對值分貝之間的關係。
常見增益
天線增益
天線增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。天線增益是入網測試時極其重要的標準，它表示了天線的方向性和信號能量的集中程度。增益的大小影響天線發射信號覆蓋範圍和強度。在方向圖中我們可以看到，主瓣越窄，旁瓣越小，能量就會越集中，那么天線增益越高。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統的運行質量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網路的覆蓋範圍，或者在確定範圍內增大增益餘量。任何蜂窩系統都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統增益預算餘量。天線增益的單位一般有兩種：dBi與dBd，其中dBi是以理想點源天線為參考的基準，在各方向的輻射是均勻的；dBd是以半波陣子（偶極子）的天線為參考基準，相對於對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。同一個天線增益，dBi比dBd在數值上大2.15 dB。
放大器增益
放大器增益是放大器輸出功率與輸入功率比值的對數，用以表示功率放大的程度。亦指電壓或電流的放大倍數。同樣，分貝就是放大器增益的單位。放大器輸出與輸入的比值為放大倍數，單位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。當改用“分貝”做單位時，放大倍數就稱之為增益，這是一個概念的兩種稱呼。電學中分貝與放大倍數的轉換關係為：AV(I)(dB)=20lg[Vo/Vi(Io/Ii)]；Ap(dB)=10lg(Po/Pi)分貝定義時電壓(電流)增益和功率增益的公式不同，但我們都知道功率與電壓、電流的關係是P=V^2/R=I^2R。採用這套公式後，兩者的增益數值就一樣了：10lg[Po/Pi]=10lg(V2o/R)/(V2i/R)=20lg(Vo/Vi).使用分貝做單位有很大好處。
電子系統的總放大倍數常常是幾千、幾萬甚至幾十萬,一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬倍左右.用分貝表示先取個對數，數值就小得多。放大器級聯時,總的放大倍數是各級相乘。用分貝做單位時，總增益就是相加.若某功放前級是100倍(20dB)，後級是20倍(13dB)，那么總功率放大倍數是100×20=2000倍，總增益為20dB+13dB=33dB。
電子系統的總放大倍數常常是幾千、幾萬甚至幾十萬,一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬倍左右.用分貝表示先取個對數，數值就小得多。放大器級聯時,總的放大倍數是各級相乘。用分貝做單位時，總增益就是相加.若某功放前級是100倍(20dB)，後級是20倍(13dB)，那么總功率放大倍數是100×20=2000倍，總增益為20dB+13dB=33dB。
功率增益
功率增益（Power gain）是指一個電路里輸出功率和輸入功率的比例。不像其他的信號增益，例如電壓增益和電流增益，功率增益由於“輸入功率”和“輸出功率”本身有著相對模糊的定義，因此有時顯得有點混淆。三種重要的功率增益包括：運算功率增益（operating power gain）、轉換功率增益（transducer power gain）和有效功率增益（available power gain）。值得注意的是，上述三種增益的定義均基於功率的平均效果，而非瞬時功率，不過“平均”二字經常被省略，在有的情況會引起混淆。
環路增益
環路增益（loop gain）為電子學及控制工程的名詞，是指一反饋迴路中的總增益，一般會以比例或是分貝表示。環路增益常用在放大器及電子振盪器的線路中，後來更擴展到控制工廠及設備的工業控制系統中。環路增益的概念也用在生物學中。在反饋迴路中，為了控制輸出，會量測設備、程式的輸出，取樣後，再以此影響輸入信號，使輸出控制的更理想。環路增益和環路相位移決定了設備的特性，也決定輸出是否穩定，或是不穩定（振盪）。海因里希·巴克豪森在1921年最早發現環路增益在電子反饋放大器特性分析中的重要性，後來在1930年代由貝爾實驗室的亨德里克·韋德·波德及哈里·奈奎斯特繼續發展。
在通訊上，環路增益可以指載波終端或是二線中繼器上的可用功率增益。最大的可用增益是由閉迴路的總損失決定，可用增益不能大於總損失。
其他術語
帶外
帶外：是指被測補點器（發射機）對工作頻帶外信號的放大能力。在設備達到滿功率輸出的情況下，將設備增益設定成最大，測試此時工作頻帶內信號功率，根據要求將信號源的頻率進行設定，測得此時的輸出功率，其兩者之間的電平值就是帶外抑制；測得此時設備的增益就是設備的帶外增益。帶外抑制與帶外增益可相互換算（如設備的增益是Gp，測得此時偏離工作頻帶1MHz時的帶外抑制為∆K，則此時設備偏離工作頻帶1MHz時的帶外增益為Go，那么就有GO=GP-∆K）。
光學通信
增益是評價EDFA的重要參數，它表示放大器的放大能力，定義為輸出功率與輸入功率之比。
G=（Pout-Pase）/Pin
