Эффективная излучаемая мощность

Определение направленной мощности радиочастот

Иллюстрация определения эффективной изотропно излучаемой мощности (EIRP). Оси имеют единицы измерения мощности сигнала в децибелах. — это диаграмма направленности данного передатчика, приводящего в действие направленную антенну , излучающую пучок радиоволн вдоль оси z. Он излучает сигнал с силой в дальней зоне в направлении максимального излучения ( главный лепесток ) вдоль оси z. Зеленая сфера — это диаграмма направленности идеальной изотропной антенны , которая излучает ту же максимальную мощность сигнала, что и направленная антенна. Мощность передатчика, которую необходимо приложить к изотропной антенне для излучения такой мощности, — это EIRP. ${\displaystyle R_{\text{a}}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle R_{\text{iso}}}$

Эффективная излучаемая мощность ( ERP ), синоним эквивалентной излучаемой мощности , является стандартизированным IEEE определением направленной мощности радиочастоты (РЧ), такой как излучаемая радиопередатчиком . Это общая мощность в ваттах , которая должна быть излучена полуволновой дипольной антенной, чтобы дать ту же интенсивность излучения (силу сигнала или плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр), что и фактическая исходная антенна на удаленном приемнике, расположенном в направлении самого сильного луча антенны ( главный лепесток ). ERP измеряет комбинацию мощности, излучаемой передатчиком, и способности антенны направлять эту мощность в заданном направлении. Она равна входной мощности антенны, умноженной на коэффициент усиления антенны. Она используется в электронике и телекоммуникациях , в частности в вещании, для количественной оценки кажущейся мощности вещательной станции , ощущаемой слушателями в ее зоне приема.

Альтернативный параметр, который измеряет то же самое, — это эффективная изотропно излучаемая мощность ( EIRP ). Эффективная изотропно излучаемая мощность — это гипотетическая мощность, которая должна была бы излучаться изотропной антенной, чтобы дать ту же («эквивалентную») силу сигнала, что и фактическая исходная антенна в направлении самого сильного луча антенны. Разница между EIRP и ERP заключается в том, что ERP сравнивает фактическую антенну с полуволновой дипольной антенной, в то время как EIRP сравнивает ее с теоретической изотропной антенной. Поскольку полуволновая дипольная антенна имеет усиление 1,64 (или 2,15 дБ ) по сравнению с изотропным излучателем, если ERP и EIRP выражены в ваттах, их отношение равно Если они выражены в децибелах $${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$ $${\displaystyle \mathrm {EIRP(dB)} =\mathrm {ERP(dB)} +2.15}$$

Определения

Эффективная излучаемая мощность и эффективная изотропно излучаемая мощность измеряют плотность мощности, которую радиопередатчик и антенна (или другой источник электромагнитных волн) излучают в определенном направлении: в направлении максимальной мощности сигнала (« главный лепесток ») его диаграммы направленности. ^{[1] [2] [3] [4]} Эта кажущаяся мощность зависит от двух факторов: общей выходной мощности и диаграммы направленности антенны — какая часть этой мощности излучается в направлении максимальной интенсивности. Последний фактор количественно определяется коэффициентом усиления антенны , который представляет собой отношение силы сигнала, излучаемого антенной в направлении максимального излучения, к силе сигнала, излучаемого стандартной антенной. Например, передатчик мощностью 1000 Вт, питающий антенну с усилением 4 (6 дБи), будет иметь такую ​​же силу сигнала в направлении своего главного лепестка и, следовательно, такие же ERP и EIRP, как передатчик мощностью 4000 Вт, питающий антенну с усилением 1 (0 дБи). Таким образом, ERP и EIRP являются мерами излучаемой мощности, которые позволяют на равной основе сравнивать различные комбинации передатчиков и антенн.

Несмотря на названия, ERP и EIRP не измеряют мощность передатчика или общую мощность, излучаемую антенной, они являются лишь мерой силы сигнала вдоль главного лепестка. Они не дают информации о мощности, излучаемой в других направлениях, или общей мощности. ERP и EIRP всегда больше фактической общей мощности, излучаемой антенной.

Разница между ERP и EIRP заключается в том, что коэффициент усиления антенны традиционно измеряется в двух разных единицах, сравнивая антенну с двумя разными стандартными антеннами: изотропной антенной и полуволновой дипольной антенной:

• Изотропный коэффициент усиления — это отношение плотности мощности (силы сигнала в ваттах на квадратный метр), принимаемой в точке, удаленной от антенны (в дальней зоне ) в направлении ее максимального излучения (главный лепесток), к мощности, принимаемой в той же точке от гипотетической изотропной антенны без потерь , которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Коэффициент усиления часто выражается в логарифмических единицах децибел (дБ). Коэффициент усиления в децибелах относительно изотропной антенны (дБи) определяется по формуле ${\displaystyle S_{\text{max}}}$ ${\displaystyle S_{\text{max,iso}}}$ $${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$ $${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBi)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$
• Дипольное усиление — это отношение плотности мощности, полученной от антенны в направлении ее максимального излучения, к плотности мощности, полученной от полуволновой дипольной антенны без потерь в направлении ее максимального излучения. Децибеловое усиление относительно диполя (дБд) определяется по формуле ${\displaystyle S_{\text{max,dipole}}}$ $${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$ $${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$

В отличие от изотропной антенны, диполь имеет диаграмму направленности в форме «бублика», его излучаемая мощность максимальна в направлениях, перпендикулярных антенне, и снижается до нуля на оси антенны. Поскольку излучение диполя сосредоточено в горизонтальных направлениях, коэффициент усиления полуволнового диполя больше, чем у изотропной антенны. Изотропный коэффициент усиления полуволнового диполя равен 1,64, или в децибелах 10 log 1,64 = 2,15 дБи, поэтому в децибелах $${\displaystyle G_{\text{i}}=1.64G_{\text{d}}}$$ $${\displaystyle G{\text{(dBi)}}=G{\text{(dBd)}}+2.15}$$

Два показателя EIRP и ERP основаны на двух различных стандартных антеннах, указанных выше: ^{[1] [3] [2] [4]}

• EIRP определяется как среднеквадратическая входная мощность в ваттах, необходимая для изотропной антенны без потерь , чтобы обеспечить ту же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и фактический передатчик. Она равна входной мощности антенны передатчика, умноженной на изотропный коэффициент усиления антенны. ERP и EIRP также часто выражаются в децибелах (дБ). Входная мощность в децибелах обычно рассчитывается по сравнению с опорным уровнем в один ватт (Вт): . Поскольку умножение двух факторов эквивалентно сложению их значений в децибелах $${\displaystyle \mathrm {EIRP} =G_{\text{i}}P_{\text{in}}}$$ ${\displaystyle P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}}$ $${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$
• ERP определяется как среднеквадратическая входная мощность в ваттах, необходимая для антенны полуволнового диполя без потерь , чтобы обеспечить ту же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и фактический передатчик. Она равна входной мощности антенны передатчика, умноженной на коэффициент усиления антенны относительно полуволнового диполя в децибелах $${\displaystyle \mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}}$$ $${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$

Поскольку два определения усиления отличаются только постоянным множителем, то же самое происходит и с ERP и EIRP в децибелах. $${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$ $${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBW)}}+2.15}$$

Отношение к выходной мощности передатчика

Передатчик обычно подключается к антенне через линию передачи и сеть согласования импеданса . Поскольку эти компоненты могут иметь значительные потери , мощность, подаваемая на антенну, обычно меньше выходной мощности передатчика . Отношение ERP и EIRP к выходной мощности передатчика равно Потери в самой антенне включены в усиление. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle P_{\text{TX}}}$ $${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}}$$ $${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}-2.15}$$

Отношение к силе сигнала

Если путь сигнала находится в свободном пространстве ( распространение по прямой видимости без многолучевого распространения ), то мощность сигнала ( плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр) радиосигнала на оси главного лепестка на любом конкретном расстоянии от антенны можно рассчитать из EIRP или ERP. Поскольку изотропная антенна излучает одинаковую плотность потока мощности по сфере с центром на антенне, а площадь сферы с радиусом равна, то Поскольку , После деления на множитель получаем: ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$ $${\displaystyle S(r)={\mathrm {EIRP} \over 4\pi r^{2}}}$$ ${\displaystyle \mathrm {EIRP} =\mathrm {ERP} \times 1.64}$ $${\displaystyle S(r)={\mathrm {0.41\times ERP} \over \pi r^{2}}}$$ ${\displaystyle \pi }$ $${\displaystyle S(r)={\mathrm {0.13\times ERP} \over r^{2}}}$$

Однако если радиоволны распространяются по земной волне, как это типично для средневолнового или длинноволнового вещания, по пространственной волне или с использованием непрямых путей, то волны будут испытывать дополнительное затухание, которое зависит от рельефа местности между антеннами, поэтому эти формулы недействительны.

Дипольные и изотропные излучатели

Поскольку ERP рассчитывается как усиление антенны (в заданном направлении) по сравнению с максимальной направленностью полуволновой дипольной антенны , он создает математически виртуальную эффективную дипольную антенну, ориентированную в направлении приемника. Другими словами, воображаемый приемник в заданном направлении от передатчика получил бы ту же мощность, если бы источник был заменен идеальным диполем, ориентированным с максимальной направленностью и согласованной поляризацией в направлении приемника, и с входной мощностью антенны, равной ERP. Приемник не смог бы определить разницу. Максимальная направленность идеального полуволнового диполя является константой, т. е. 0 дБд = 2,15 дБи. Следовательно, ERP всегда на 2,15 дБ меньше EIRP. Идеальная дипольная антенна может быть дополнительно заменена изотропным излучателем (чисто математическим устройством, которое не может существовать в реальном мире), и приемник не может узнать разницу, пока входная мощность увеличивается на 2,15 дБ.

Различие между dBd и dBi часто остается неуказанным, и читателю иногда приходится делать вывод, какой из них использовался. Например, антенна Yagi–Uda состоит из нескольких диполей, расположенных с точными интервалами, чтобы создать большую фокусировку энергии (направленность), чем простой диполь. Поскольку она состоит из диполей, часто ее усиление антенны выражается в dBd, но указывается только как dB. Эта двусмысленность нежелательна в отношении технических характеристик. Максимальная направленность антенны Yagi–Uda составляет 8,77 dBd = 10,92 dBi. Ее усиление обязательно должно быть меньше этого на коэффициент η, который должен быть отрицательным в единицах дБ. Ни ERP, ни EIRP не могут быть рассчитаны без знания мощности, принимаемой антенной, т. е. неправильно использовать единицы dBd или dBi с ERP и EIRP. Предположим, что передатчик мощностью 100 Вт (20 дБВт) имеет потери 6 дБ до антенны. ERP < 22,77 дБВт и EIRP < 24,92 дБВт, оба значения меньше идеальных на η в дБ. Предполагая, что приемник находится в первом боковом лепестке передающей антенны, и каждое значение дополнительно уменьшается на 7,2 дБ, что является уменьшением направленности от главного к боковому лепестку Yagi–Uda. Следовательно, в любом месте вдоль направления бокового лепестка от этого передатчика слепой приемник не мог бы заметить разницу, если бы Yagi–Uda был заменен либо идеальным диполем (ориентированным на приемник), либо изотропным излучателем с входной мощностью антенны, увеличенной на 1,57 дБ. ^[5]

Поляризация

Поляризация до сих пор не учитывалась, но ее необходимо должным образом прояснить. При рассмотрении дипольного излучателя ранее мы предполагали, что он идеально выровнен с приемником. Теперь предположим, однако, что приемная антенна имеет круговую поляризацию, и будет иметь место минимальная потеря поляризации 3 дБ независимо от ориентации антенны. Если приемник также является диполем, его можно выровнять ортогонально передатчику так, чтобы теоретически принимать нулевую энергию. Однако эта потеря поляризации не учитывается при расчете ERP или EIRP. Вместо этого разработчик приемной системы должен учитывать эту потерю соответствующим образом. Например, вышка сотовой связи имеет фиксированную линейную поляризацию, но мобильный телефон должен хорошо работать при любой произвольной ориентации. Поэтому конструкция телефона может обеспечивать прием двойной поляризации на телефоне, чтобы захваченная энергия была максимизирована независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учитывать дополнительные 3 дБ потери с усилением.

пример ФМ

Четырехсекционная скрещенно-дипольная антенна радиовещательной станции FM-диапазона

Например, FM- радиостанция , которая заявляет, что имеет мощность 100 000 Вт , на самом деле имеет 100 000 Вт ERP, а не фактический передатчик на 100 000 Вт. Выходная мощность передатчика (TPO) такой станции обычно может составлять от 10 000 до 20 000 Вт с коэффициентом усиления от 5 до 10 (от 5× до 10× или от 7 до 10 дБ ). В большинстве конструкций антенн усиление реализуется в первую очередь за счет концентрации мощности в направлении горизонтальной плоскости и подавления ее под углами вверх и вниз с помощью фазированных решеток антенных элементов. Распределение мощности в зависимости от угла места известно как вертикальная диаграмма направленности . Когда антенна также направлена ​​горизонтально, усиление и ERP будут меняться в зависимости от азимута ( направления компаса ). Вместо средней мощности по всем направлениям, это кажущаяся мощность в направлении пика главного лепестка антенны, которая указывается как ERP станции (это утверждение является просто другим способом сформулировать определение ERP). Это особенно применимо к огромным ERP, сообщаемым для коротковолновых вещательных станций, которые используют очень узкую ширину луча для передачи своих сигналов через континенты и океаны.

Использование в регулировании в США

ERP для FM-радио в Соединенных Штатах всегда относится к теоретической опорной полуволновой дипольной антенне. (То есть при расчете ERP наиболее прямым подходом является работа с усилением антенны в дБд). Чтобы иметь дело с поляризацией антенны, Федеральная комиссия по связи (FCC) приводит ERP как в горизонтальных, так и в вертикальных измерениях для FM и ТВ. Горизонтальный является стандартом для обоих, но если вертикальный ERP больше, он будет использоваться вместо него.

Максимальная ERP для FM-вещания в США обычно составляет 100 000 Вт (FM-зона II) или 50 000 Вт (в обычно более густонаселенных зонах I и IA), хотя точные ограничения варьируются в зависимости от класса лицензии и высоты антенны над средней местностью (HAAT). ^[6] Некоторые станции были отнесены к категории устаревших или, очень редко, получили освобождение и могут превышать обычные ограничения.

Проблемы с диапазоном СВЧ

Для большинства микроволновых систем в качестве опорной антенны используется полностью ненаправленная изотропная антенна (которая излучает одинаково и идеально хорошо во всех направлениях — физически невозможно), и тогда говорят об EIRP (эффективной изотропно излучаемой мощности), а не ERP. Сюда входят спутниковые транспондеры , радары и другие системы, которые используют микроволновые тарелки и отражатели вместо антенн дипольного типа.

Проблемы с более низкой частотой

В случае станций среднего диапазона волн (AM) в Соединенных Штатах пределы мощности устанавливаются на основе фактической выходной мощности передатчика, а ERP не используется в обычных расчетах. Всенаправленные антенны, используемые рядом станций, излучают сигнал одинаково во всех горизонтальных направлениях. Направленные решетки используются для защиты станций с одним или соседним каналом, обычно ночью, но некоторые работают направленно непрерывно. Хотя при проектировании такой решетки учитываются эффективность антенны и проводимость грунта, база данных FCC показывает выходную мощность передатчика станции, а не ERP.

Связанные термины

По данным Института инженеров-электриков (Великобритания), ERP часто используется как общий термин для обозначения излучаемой мощности, но, строго говоря, его следует использовать только в том случае, когда антенна представляет собой полуволновой диполь ^[7] и применяется применительно к передаче FM. ^[8]

ЭМРП

Эффективная монопольная излучаемая мощность ( EMRP ) может использоваться в Европе, особенно в отношении средневолновых вещательных антенн. Это то же самое, что и ERP, за исключением того, что в качестве опорной антенны вместо полуволнового диполя используется короткая вертикальная антенна (т. е. короткий монополь ) . ^[7]

ЦМФ

Цимодвижущая сила ( CMF ) — альтернативный термин, используемый для выражения интенсивности излучения в вольтах , особенно на низких частотах. ^[7] Он используется в австралийском законодательстве , регулирующем услуги AM-вещания, которое описывает его следующим образом: «для передатчика [это] означает произведение, выраженное в вольтах, следующих величин: (a) напряженности электрического поля в заданной точке пространства, обусловленной работой передатчика; и (b) расстояния этой точки от антенны передатчика». ^[9]

Он относится только к AM-вещанию и выражает напряженность поля в « микровольтах на метр на расстоянии 1 километра от передающей антенны». ^[8]

ХААТ

Высота над средней местностью для VHF и более высоких частот чрезвычайно важна при рассмотрении ERP, поскольку покрытие сигнала ( диапазон вещания ), создаваемое данным ERP, резко увеличивается с высотой антенны. Из-за этого возможно, что станция с ERP всего в несколько сотен ватт может покрыть большую площадь, чем станция с ERP в несколько тысяч ватт, если ее сигнал проходит над препятствиями на земле.

Смотрите также

• Номинальная мощность (радиовещание)
• Список классов вещательных станций Северной Америки

Ссылки

1. Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). Справочник инженеров Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд. Elsevier. стр. 1632. ISBN 978-1136034107.
2. Хуан, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. John Wiley and Sons. стр. 117–118. ISBN 978-0470772928.
3. Seybold, John S. (2005). Введение в распространение радиоволн. John Wiley and Sons. стр. 292. ISBN 0471743682.
4. Weik, Martin H. (2012). Communications Standard Dictionary. Springer Science and Business Media. стр. 327. ISBN 978-1461566724.
5. Ченг, Дэвид К. (1992). Полевые и волновые электромагнетики, 2-е изд . Addison-Wesley. С. 648–650.
6. 47 Свод федеральных правил 73.211
7. Barclay, Les, ed. (2003). Распространение радиоволн. Том 2 Electromagnetics and Radar, IET Digital Library. Institution of Electrical Engineers (участник). Лондон: Institution of Engineering and Technology. стр. 13–14. ISBN 978-0-85296-102-5. Получено 14 сентября 2020 г. .
8. "3MTR может получить увеличение мощности". radioinfo . 24 ноября 2011 г. Получено 14 сентября 2020 г.
9. "Broadcasting Services (Technical Planning) Guidelines 2017". Федеральный реестр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 г. Получено 14 сентября 2020 г. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).