Эффективная излучаемая мощность - Effective radiated power

Иллюстрация определения эквивалентной изотропно излучаемой мощности (EIRP). На осях указаны единицы мощности сигнала в децибелах. ${\displaystyle R_{\text{a}}}$ это диаграмма направленности данного передатчика, управляющего направленная антенна. Он излучает дальнее поле мощность сигнала ${\displaystyle S}$ в направлении максимального излучения (главная доля ) по оси z. В зеленый сфера ${\displaystyle R_{\text{iso}}}$ диаграмма направленности идеального изотропная антенна который излучает такой же максимальный сигнал, что и направленная антенна. Мощность передатчика, которая должна быть приложена к изотропной антенне для излучения такой мощности, называется EIRP.

Эффективная излучаемая мощность (ERP), синоним эквивалентная излучаемая мощность, является IEEE стандартизированное определение направленного радиочастота (RF) мощность, например, излучаемая радиопередатчик. Это общая мощность в Вт это должно быть излучено полуволновая дипольная антенна чтобы обеспечить одинаковую интенсивность излучения (мощность сигнала или плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр) в качестве антенны фактического источника на удаленном приемнике, расположенном в направлении самого сильного луча антенны (главная доля ). ERP измеряет комбинацию мощности, излучаемой передатчиком, и способности антенны направлять эту мощность в заданном направлении. Он равен входной мощности антенны, умноженной на прирост антенны. Используется в электронике и телекоммуникации, особенно в вещание для количественной оценки кажущейся мощности радиостанция испытанный слушателями в его приемной.

Альтернативный параметр, который измеряет то же самое, - эффективная изотропная излучаемая мощность (EIRP). Эффективная изотропная излучаемая мощность - это гипотетическая мощность, которую должен излучать изотропная антенна чтобы обеспечить такой же («эквивалентный») уровень сигнала, что и у реальной исходной антенны, в направлении самого сильного луча антенны. Разница между EIRP и ERP заключается в том, что ERP сравнивает реальную антенну с полуволновой дипольной антенной, а EIRP сравнивает ее с теоретической изотропной антенной. Поскольку полуволновая дипольная антенна имеет коэффициент усиления 1,64 (или 2,15 дБ ) по сравнению с изотропным излучателем, если ERP и EIRP выражены в ваттах, их соотношение будет

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$

Если они выражены в децибелах

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dB)} =\mathrm {ERP(dB)} +2.15}$$

Определения

Эффективная излучаемая мощность и эффективная изотропная излучаемая мощность измеряют плотность мощности, излучаемой радиопередатчиком и антенной (или другим источником электромагнитных волн) в определенном направлении: в направлении максимальной мощности сигнала ("главная доля ") его диаграммы направленности.^[1][2][3][4] Эта кажущаяся мощность зависит от двух факторов: общей выходной мощности и диаграмма направленности антенны - какая часть этой мощности излучается в желаемом направлении. Последний фактор определяется количественно усиление антенны, который представляет собой отношение мощности сигнала, излучаемого антенной в направлении максимального излучения, к уровню, излучаемому стандартной антенной. Например, передатчик мощностью 1000 Вт, питающий антенну с коэффициентом усиления 4 (6 дБи), будет иметь такой же уровень сигнала в направлении своего главного лепестка и, следовательно, такие же ERP и EIRP, как передатчик мощностью 4000 Вт, питающий антенна с коэффициентом усиления 1 (0 дБи). Таким образом, ERP и EIRP - это меры излучаемой мощности, с помощью которых можно сравнивать различные комбинации передатчиков и антенн на равной основе.

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

Разница между ERP и EIRP состоит в том, что усиление антенны традиционно измеряется в двух разных единицах, сравнивая антенну с двумя разными стандартными антеннами; ан изотропная антенна и полуволновой диполь антенна:

• Изотропное усиление - отношение удельной мощности ${\displaystyle S_{\text{max}}}$ (мощность сигнала в ваттах на квадратный метр), полученного в точке, удаленной от антенны (в дальнее поле ) в направлении его максимального излучения (главный лепесток) до мощности ${\displaystyle S_{\text{max,isotropic}}}$ полученный в той же точке от гипотетического без потерь изотропная антенна, который излучает одинаковую мощность во всех направлениях

${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,isotropic}}}}$

Прирост часто выражается в логарифмических единицах децибелы (дБ). Коэффициент усиления в децибелах относительно изотропной антенны (дБи) определяется выражением

${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBi)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,isotropic}}}}$

• Дипольное усиление - отношение плотности мощности, полученной от антенны в направлении ее максимального излучения, к плотности мощности ${\displaystyle S_{\text{max,dipole}}}$ полученный от без потерь полуволновой диполь антенна в направлении ее максимального излучения

${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$

Усиление в децибелах относительно диполя (дБд) определяется выражением

${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$

В отличие от изотропной антенны, диполь имеет диаграмму направленности «пончик», его излучаемая мощность максимальна в направлениях, перпендикулярных антенне, и уменьшается до нуля на оси антенны. Поскольку излучение диполя сосредоточено в горизонтальных направлениях, коэффициент усиления полуволнового диполя больше, чем у изотропной антенны. Изотропное усиление полуволнового диполя составляет 1,64, или в децибелах 10 log 1,64 = 2,15 дБи, поэтому

${\displaystyle G_{\text{i}}=1.64G_{\text{d}}}$

В децибелах

${\displaystyle G{\text{(dBi)}}=G{\text{(dBd)}}+2.15}$

Две меры EIRP и ERP основаны на двух разных стандартных антеннах, указанных выше:^[1][3][2][4]

• EIRP определяется как входная мощность RMS в ваттах, необходимая для работы без потерь изотропная антенна чтобы обеспечить такую ​​же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и фактический передатчик. Он равен мощности, подводимой к антенне передатчика, умноженной на коэффициент усиления изотропной антенны.

${\displaystyle \mathrm {EIRP} =G_{\text{i}}P_{\text{in}}}$

ERP и EIRP также часто выражаются в децибелы (дБ). Входная мощность в децибелах обычно рассчитывается по сравнению с эталонным уровнем в один ватт (Вт): ${\displaystyle P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}}$. Поскольку умножение двух множителей эквивалентно сложению их значений в децибелах

${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$

• ERP определяется как входная мощность RMS в ваттах, необходимая для работы без потерь полуволновой диполь антенна, чтобы обеспечить такую ​​же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и фактический передатчик. Он равен мощности, подводимой к антенне передатчика, умноженной на коэффициент усиления антенны относительно полуволнового диполя.

${\displaystyle \mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}}$

В децибелах

${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$

Поскольку два определения усиления различаются только постоянным коэффициентом, то же самое относится и к ERP и EIRP.

${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$

В децибелах

${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBW)}}+2.15}$

Отношение к выходной мощности передатчика

Передатчик обычно подключается к антенне через линия передачи. Поскольку в ЛЭП могут быть значительные потери ${\displaystyle L}$мощность, подаваемая на антенну, обычно меньше выходной мощности передатчика. ${\displaystyle P_{\text{TX}}}$. Отношение ERP и EIRP к выходной мощности передатчика:

${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}}$

${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}-2.15}$

Потери в самой антенне включаются в коэффициент усиления.

Отношение к силе сигнала

Если путь прохождения сигнала находится в свободном пространстве (распространение по прямой видимости без многолучевость ) мощность сигнала (плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр) ${\displaystyle S}$ радиосигнала на оси главного лепестка на любом конкретном расстоянии ${\displaystyle r}$ от антенны можно рассчитать из EIRP или ERP. Поскольку изотропная антенна излучает одинаковую плотность потока мощности над сферой с центром на антенне, а площадь сферы с радиусом ${\displaystyle r}$ является ${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$ тогда

${\displaystyle S(r)={\mathrm {EIRP} \over 4\pi r^{2}}}$

С ${\displaystyle \mathrm {EIRP} =\mathrm {ERP} /1.64}$,

${\displaystyle S(r)={\mathrm {ERP} \over 6.56\pi r^{2}}}$

Однако если радиоволны проходят земная волна что типично для средне- или длинноволнового вещания, небесная волна, или косвенные пути играют роль в передаче, волны будут подвергаться дополнительному затуханию, которое зависит от местности между антеннами, поэтому эти формулы недействительны.

Дипольные и изотропные радиаторы

Поскольку ERP рассчитывается как усиление антенны (в заданном направлении) по сравнению с максимальной направленностью полуволны дипольная антенна, он создает математически виртуальную эффективную дипольную антенну, ориентированную в направлении приемника. Другими словами, условный приемник в заданном направлении от передатчика получил бы ту же мощность, если бы источник был заменен идеальным диполем, ориентированным с максимальной направленностью и согласованным. поляризация к приемнику и с входной мощностью антенны, равной ERP. Приемник не сможет определить разницу. Максимальная направленность идеального полуволнового диполя постоянна, то есть 0 дБд = 2,15 дБи. Следовательно, ERP всегда на 2,15 дБ меньше EIRP. Идеальная дипольная антенна может быть дополнительно заменена изотропным излучателем (чисто математическое устройство, которое не может существовать в реальном мире), и приемник не может знать разницу, пока входная мощность увеличивается на 2,15 дБ.

К сожалению, различие между dBd и dBi часто не указывается, и читатель иногда вынужден сделать вывод, что было использовано. Например, Антенна Яги – Уда состоит из нескольких диполей, расположенных с точными интервалами для обеспечения лучшей фокусировки энергии (направленности), чем простой диполь. Поскольку он состоит из диполей, часто его усиление антенны выражается в дБд, но указывается только как дБ. Очевидно, эта двусмысленность нежелательна с точки зрения технической документации. Максимальная направленность антенны Яги – Уда составляет 8,77 дБд = 10,92 дБи. Его коэффициент усиления обязательно должен быть меньше указанного 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 дБд или дБи с ERP и EIRP. Предположим, что перед антенной имеется 100-ваттный (20 дБВт) передатчик с потерями 6 дБ. ERP <22,77 дБВт и EIRP <24,92 дБВт, что меньше идеального 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 основного к боковому лепестку Yagi-Uda. Следовательно, где бы то ни было в направлении боковых лепестков от этого передатчика, слепой приемник не смог бы определить разницу, был ли Yagi-Uda заменен идеальным диполем (ориентированным на приемник) или изотропным излучателем с входной мощностью антенны, увеличенной на 1,57 дБ.^[5]

Поляризация

Поляризация до сих пор не принималась во внимание, но ее необходимо уточнить. При рассмотрении дипольного излучателя ранее мы предполагали, что он идеально совмещен с приемником. Теперь предположим, однако, что приемная антенна имеет круговую поляризацию, и минимальные поляризационные потери будут составлять 3 дБ независимо от ориентации антенны. Если приемник также является диполем, его можно выровнять перпендикулярно передатчику, так что теоретически принимается нулевая энергия. Однако эти поляризационные потери не учитываются при расчете ERP или EIRP. Напротив, разработчик принимающей системы должен соответствующим образом учесть эти потери. Например, вышка сотового телефона имеет фиксированную линейную поляризацию, но мобильный телефон должен хорошо работать при любой произвольной ориентации. Следовательно, конструкция трубки может обеспечивать прием с двойной поляризацией на трубке, чтобы захваченная энергия была максимальной независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учесть дополнительные 3 дБ потерь с усилением.

Пример FM

Четырехпролетная перекрестно-дипольная антенна радиовещательной станции FM.

Например, FM радио станция который рекламирует, что у него 100 000 Вт мощности на самом деле имеет ERP 100000 Вт, а нет настоящий передатчик на 100 000 ватт. В выходная мощность передатчика (TPO) такой станции обычно может составлять от 10 000 до 20 000 ватт с коэффициентом усиления от 5 до 10 (от 5 до 10 или от 7 до 10. дБ ). В большинстве конструкций антенн усиление достигается в первую очередь за счет концентрации мощности в направлении горизонтальная плоскость и подавление его под углом вверх и вниз с помощью фазированные решетки антенных элементов. Распределение власти по сравнению с угол возвышения известен как вертикальный узор. Когда антенна также направлена ​​горизонтально, усиление и ERP будут изменяться в зависимости от азимут (компас направление). Вместо средней мощности по всем направлениям в качестве ERP станции указывается кажущаяся мощность в направлении главного лепестка антенны (это утверждение - просто еще один способ сформулировать определение ERP). Это особенно применимо к огромным ERP, о которых сообщается для коротковолновый радиостанции, использующие очень узкие ширина луча чтобы передавать свои сигналы через континенты и океаны.

Нормативное использование США

ERP для FM-радио в Соединенных Штатах всегда относительно теоретического эталонный полуволновой диполь антенна. (То есть при расчете ERP наиболее прямым подходом является работа с усилением антенны в дБд). Чтобы справиться с поляризацией антенны, Федеральная комиссия связи (FCC) перечисляет ERP как в горизонтальном, так и в вертикальном измерения для FM и TV. Горизонтальный стандарт является стандартом для обоих, но если вертикальный ERP больше, он будет использоваться вместо него.

Максимальный ERP для FM-радиовещания в США обычно составляет 100 000 Вт (FM зона II) или 50 000 Вт (в более густонаселенных зонах I и I-A), хотя точные ограничения зависят от класса лицензии и антенны. высота над средним рельефом (ХААТ).^[6] Некоторые станции были дедушка в или, очень редко, получали отказ, и может превышать обычные ограничения.

Проблемы с микроволновым диапазоном

Для большинства микроволновая печь системы, полностью ненаправленный изотропная антенна (тот, который излучает одинаково и отлично во всех направлениях - физическая невозможность) используется в качестве эталонной антенны, а затем говорят о EIRP (эффективный изотропный излучаемая мощность), а не ERP. Это включает в себя спутник транспондеры, радары и другие системы, в которых используются микроволновые тарелки и отражатели, а не дипольные антенны.

Проблемы с низкой частотой

В случае средняя волна (AM) станции в Соединенные Штаты, ограничения мощности устанавливаются на фактическую выходную мощность передатчика, и ERP не используется в обычных расчетах. Всенаправленные антенны, используемые рядом станций, излучают сигнал одинаково во всех направлениях. Направленные решетки используются для защиты станций на одном или соседних каналах, обычно в ночное время, но некоторые из них работают направленно 24 часа. В то время как эффективность антенны и проводимость земли учитываются при проектировании такой решетки, база данных FCC показывает выходную мощность передатчика станции, а не ERP.

Связанные термины

Согласно Институт инженеров-электриков (Великобритания) ERP часто используется как общий справочный термин для излучаемой мощности, но, строго говоря, его следует использовать только в том случае, если антенна представляет собой полуволновой диполь,^[7] и используется, когда речь идет о передаче FM.^[8]

EMRP

Эффективная излучаемая мощность монополя (EMRP) может использоваться в Европе, особенно в отношении средняя волна радиовещательные антенны. Это то же самое, что и ERP, за исключением того, что короткая вертикальная антенна (т. Е. Короткая монополь ) используется как эталонная антенна вместо полуволновой диполь.^[7]

CMF

Цимодвижущая сила (CMF) - альтернативный термин, используемый для выражения интенсивности излучения в вольт, особенно на низких частотах.^[7] Он используется в Австралийское законодательство регулирование услуг AM-радиовещания, которое описывает это как: «для передатчика [это] означает произведение, выраженное в вольтах,: (a) напряженности электрического поля в данной точке пространства, обусловленной работой передатчика; и (b) расстояние от этой точки до антенны передатчика ".^[9]

Это относится к AM вещание только, и выражает напряженность поля в "микровольт за метр на расстоянии 1 километр от передающей антенны ».^[8]

HAAT

Основная статья: Высота над средним рельефом

Высота над средним уровнем местности для ОВЧ и более высоких частот чрезвычайно важна при рассмотрении ERP, поскольку зона покрытия сигнала (диапазон вещания ), производимая данной ERP, резко увеличивается с высотой антенны. По этой причине станция мощностью всего несколько сотен ватт ERP может покрыть большую площадь, чем станция мощностью несколько тысяч ватт, если ее сигнал проходит над препятствиями на земле.

Смотрите также

• Номинальная мощность (радиовещание)
• Список классов радиостанций

Рекомендации

1. Джонс, Грэм А .; Layer, Дэвид Х .; Осенковский, Томас Г. (2007). Техническое руководство Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд.. Эльзевир. п. 1632. ISBN  978-1136034107.
2. Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике. Джон Уайли и сыновья. С. 117–118. ISBN  978-0470772928.
3. Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот. Джон Уайли и сыновья. п. 292. ISBN  0471743682.
4. Вейк, Мартин Х. (2012). Стандартный словарь связи. Springer Science and Business Media. п. 327. ISBN  978-1461566724.
5. Ченг, Дэвид К. (1992). Полевая и волновая электромагнетизм, 2-е изд.. Эддисон-Уэсли. С. 648–650.
6. 47 CFR 73.211
7. Барклай, Лес, изд. (2003). Распространение радиоволн. Том 2 журнала Electromagnetics and Radar, IET Digital Library. Институт инженеров-электриков (участник). Лондон: Институт инженерии и технологий. п. 13-14. ISBN  978-0-85296-102-5. Получено 14 сентября 2020.
8. «3MTR может получить увеличение мощности». радиоинфо. 24 ноября 2011 г.. Получено 14 сентября 2020.
9. «Руководящие принципы в области вещательных услуг (техническое планирование) на 2017 год». Федеральный регистр законодательства. Правительство Австралии. 28 сентября 2017 г.. Получено 14 сентября 2020. Текст был скопирован из этого источника, который доступен под Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензия.