Эффективная излучаемая мощность

Эффективная излучаемая мощность ( ERP ), синоним эквивалентной излучаемой мощности , представляет собой стандартизированное IEEE определение направленной радиочастотной (РЧ) мощности, например, излучаемой радиопередатчиком . Это общая мощность в ваттах , которую должна была бы излучать полуволновая дипольная антенна, чтобы обеспечить ту же интенсивность излучения (мощность сигнала или плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр), что и фактическая исходная антенна на удаленном приемнике, расположенном в направление самого сильного луча антенны ( главного лепестка ). ERP измеряет комбинацию мощности, излучаемой передатчиком, и способности антенны направлять эту мощность в заданном направлении. Он равен входной мощности антенны, умноженной на коэффициент усиления антенны. Он используется в электронике и телекоммуникациях , особенно в радиовещании, для количественной оценки кажущейся мощности радиовещательной станции, воспринимаемой слушателями в зоне ее приема.

Альтернативным параметром, который измеряет то же самое, является эффективная изотропная излучаемая мощность ( EIRP ). Эффективная изотропно излучаемая мощность — это гипотетическая мощность, которую должна была бы излучать изотропная антенна , чтобы обеспечить ту же («эквивалентную») мощность сигнала, что и фактическая исходная антенна, 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 усиление 1,64 (или 2,15 дБ ) по сравнению с изотропным излучателем, если ERP и EIRP выражены в ваттах, их соотношение будет $\mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)}$ Если они выражены в децибелах $\mathrm {EIRP(dB)} =\mathrm {ERP(dB)} +2.15$

Определения

Эффективная излучаемая мощность и эффективная изотропная излучаемая мощность измеряют плотность мощности, которую радиопередатчик и антенна (или другой источник электромагнитных волн) излучают в определенном направлении: в направлении максимальной мощности сигнала (« основной лепесток ») ее 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 мощности сигнала, излучаемого антенной в направлении максимального излучения, к мощности сигнала, излучаемого стандартной антенной. Например, передатчик мощностью 1000 Вт, питающий антенну с усилением 4 (6 дБи), будет иметь ту же мощность сигнала в направлении ее главного лепестка и, следовательно, те же ERP и EIRP, что и передатчик мощностью 4000 Вт, питающий антенну с коэффициентом усиления 4 (6 дБи). антенна с коэффициентом усиления 1 (0 дБи). Таким образом, ERP и EIRP — это меры 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 просто мерой мощности сигнала вдоль главного лепестка. Они не дают никакой информации о мощности, излучаемой в других направлениях, или об общей мощности. ERP и EIRP всегда превышают фактическую общую мощность, излучаемую антенной.

Разница между ERP и EIRP заключается в том, что усиление антенны традиционно измеряется в двух разных единицах, при этом антенна сравнивается с двумя разными стандартными антеннами; и изотропная антенна полуволновая дипольная антенна:

Изотропный коэффициент усиления - это отношение плотности мощности $S_{\text{max}}$ (мощность сигнала в ваттах на квадратный метр), принимаемый в точке, удаленной от антенны (в дальней зоне ) в направлении ее максимального излучения (основной лепесток), до мощности $S_{\text{max,iso}}$ полученный в одной и той же точке от гипотетической изотропной антенны без потерь , которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях $\mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}$ Усиление часто выражается в логарифмических единицах децибел (дБ). Усиление в децибелах относительно изотропной антенны (дБи) определяется выражением $\mathrm {G} {\text{(dBi)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}$
Дипольное усиление - это отношение плотности мощности, принимаемой от антенны в направлении ее максимального излучения, к плотности мощности. $S_{\text{max,dipole}}$ полученный от полуволновой дипольной антенны без потерь в направлении ее максимального излучения $\mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}$ Прирост в децибелах относительно диполя (дБд) определяется выражением $\mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}$

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

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

EIRP определяется как среднеквадратичная входная мощность в ваттах, необходимая изотропной антенне без потерь для обеспечения той же максимальной плотности мощности вдали от антенны, что и у фактического передатчика. Он равен мощности, подводимой к антенне передатчика, умноженной на коэффициент усиления изотропной антенны. $\mathrm {EIRP} =G_{\text{i}}P_{\text{in}}$ ERP и EIRP также часто выражаются в децибелах (дБ). Входная мощность в децибелах обычно рассчитывается по сравнению с эталонным уровнем в один ватт (Вт): $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ . Поскольку умножение двух коэффициентов эквивалентно сложению их значений в децибелах. $\mathrm {EIRP(dBW)} =G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)}$
ERP определяется как среднеквадратическая входная мощность в ваттах, необходимая для полуволновой дипольной антенны без потерь, чтобы обеспечить ту же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и реальный передатчик. Он равен мощности, подводимой к антенне передатчика, умноженной на коэффициент усиления антенны относительно полуволнового диполя. $\mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}$ В децибелах $\mathrm {ERP(dBW)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)}$

Поскольку два определения выигрыша различаются только постоянным коэффициентом, то же самое происходит и с ERP и EIRP. $\mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)}$ В децибелах $\mathrm {EIRP(dBW)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBW)}}+2.15$

Связь с выходной мощностью передатчика

Передатчик обычно подключается к антенне через линию передачи и сеть согласования импеданса . Так как эти компоненты могут иметь значительные потери $L$ мощность, подаваемая на антенну, обычно меньше выходной мощности передатчика $P_{\text{TX}}$ . Связь ERP и EIRP с выходной мощностью передатчика равна $\mathrm {EIRP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}$ $\mathrm {ERP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}-2.15$ Потери в самой антенне включаются в коэффициент усиления.

Связь с уровнем сигнала

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

Однако если радиоволны распространяются по земным волнам , что типично для средне- или длинноволнового радиовещания, в передаче играют роль небесные волны или непрямые пути, волны будут испытывать дополнительное затухание, которое зависит от местности между антеннами, поэтому эти формулы не являются верными. действительный.

Дипольные и изотропные излучатели

Поскольку ERP рассчитывается как усиление антенны (в заданном направлении) по сравнению с максимальной направленностью полуволновой дипольной антенны , это 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 согласованной поляризацией в сторону приемника, и с входной мощностью антенны, равной ERP. Приемник не сможет определить разницу. Максимальная направленность идеального полуволнового диполя постоянна, т. е. 0 дБд = 2,15 дБи. Следовательно, ERP всегда на 2,15 дБ меньше, чем EIRP. Идеальную дипольную антенну можно было бы заменить изотропным излучателем (чисто математическое устройство, которое не может существовать в реальном мире), и приемник не сможет обнаружить разницу, пока входная мощность увеличивается на 2,15 дБ.

Различие между dBd и dBi часто не указывается, и читателю иногда приходится делать вывод, что именно использовалось. Например, антенна Яги-Уда состоит из нескольких диполей, расположенных через определенные промежутки времени, чтобы создать большую фокусировку (направленность) энергии, чем простой диполь. Поскольку он состоит из диполей, коэффициент усиления его антенны часто выражается в дБд, но указывается только в дБ. Такая двусмысленность нежелательна в отношении технических спецификаций. Максимальная направленность антенны Яги-Уда составляет 8,77 дБд = 10,92 дБи. Его усиление обязательно должно быть меньше этого коэффициента 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 измерения дБд или дБи для ERP и EIRP. Предположим, имеется передатчик мощностью 100 Вт (20 дБВт) с потерями 6 дБ перед антенной. 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, каждое значение дополнительно уменьшается на 7,2 дБ, что представляет собой уменьшение направленности от основного лепестка к боковому лепестку Яги-Уда. Следовательно, где-либо в направлении бокового лепестка от этого передатчика слепой приемник не сможет обнаружить разницу, если Яги-Уда был заменен идеальным диполем (ориентированным на приемник) или изотропным излучателем с входной мощностью антенны, увеличенной в 1,57. дБ. ^[5]

поляризация

Поляризация до сих пор не учитывалась, но ее необходимо как следует уточнить. Ранее, рассматривая дипольный излучатель, мы предполагали, что он идеально совмещен с приемником. Теперь предположим, однако, что приемная антенна имеет круговую поляризацию, и потери поляризации будут минимум 3 дБ независимо от ориентации антенны. Если приемник также является диполем, его можно настроить ортогонально передатчику так, чтобы теоретически принимать нулевую энергию. Однако эта потеря поляризации не учитывается при расчете ERP или EIRP. Скорее, разработчик принимающей системы должен соответствующим образом учитывать эти потери. Например, вышка сотовой связи имеет фиксированную линейную поляризацию, но мобильный телефон должен хорошо работать в любой произвольной ориентации. Таким образом, конструкция телефона может обеспечить прием на трубке с двойной поляризацией, чтобы улавливаемая энергия была максимальной независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учитывать дополнительные 3 дБ потерь при усилении.

пример ФМ

Например, FM- радиостанция , которая рекламирует, что ее мощность составляет 100 000 Вт , на самом деле имеет ERP мощностью 100 000 Вт, а не настоящий передатчик мощностью 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 горизонтальной плоскости и ее подавления под углами вверх и вниз за счет использования фазированных решеток антенных элементов. Распределение мощности в зависимости от угла места известно как вертикальная диаграмма направленности . Если антенна также направлена горизонтально, усиление и ERP будут меняться в зависимости от азимута ( компаса направления ). Вместо средней мощности по всем направлениям, это полная мощность в направлении пика главного лепестка антенны, которая указывается как ERP станции (это утверждение является просто еще одним способом определения ERP). Это особенно применимо к огромным ERP, о которых сообщается коротковолновые радиовещательные станции, которые используют очень узкую ширину луча для передачи сигналов через континенты и океаны.

Нормативное использование США

ERP для FM-радио в США всегда соотносится с теоретической эталонной полуволновой дипольной антенной. (То есть при расчете ERP наиболее прямым подходом является работа с коэффициентом усиления антенны в дБд). Чтобы справиться с поляризацией антенн, Федеральная комиссия по связи (FCC) включает ERP как в горизонтальные, так и в вертикальные измерения для FM и телевидения. Горизонтальный вариант 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 ( ХААТ). ^[6] Некоторые станции были унаследованы или, очень редко, получили отказ и могут превышать обычные ограничения.

Проблемы с микроволновым диапазоном

Для большинства микроволновых систем в качестве эталонной антенны используется полностью ненаправленная изотропная антенна (которая излучает одинаково и идеально во всех направлениях – физическая невозможность), и тогда говорят об EIRP (эффективная изотропная излучаемая мощность), а не об ERP. . Сюда входят спутниковые транспондеры , радары и другие системы, в которых используются микроволновые тарелки и отражатели, а не дипольные антенны.

Проблемы с низкой частотой

В случае средневолновых (AM) станций в США пределы мощности устанавливаются на основе фактической выходной мощности передатчика, и ERP не используется в обычных расчетах. Всенаправленные антенны, используемые рядом станций, излучают сигнал одинаково во всех горизонтальных направлениях. Направленные решетки используются для защиты станций одного или соседних каналов, обычно в ночное время, но некоторые из них работают непрерывно в направленном направлении. Хотя при проектировании такой решетки учитываются эффективность антенны и проводимость грунта, в базе данных FCC указана выходная 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 тогда, когда антенна представляет собой полуволновой диполь. ^[7] и используется при передаче FM. ^[8]

ЕПРМ

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

ЦМФ

Цимомоторная сила ( CMF ) — альтернативный термин, используемый для выражения интенсивности излучения в вольтах , особенно на более низких частотах. ^[7] Он используется в австралийском законодательстве , регулирующем услуги AM-вещания, где он описывается так: «для передатчика [он] означает произведение, выраженное в вольтах, на: (a) напряженность электрического поля в данной точке пространства, обусловленную работу передатчика; и (b) расстояние 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]

НЕНАВИДЕТЬ

Высота над средней местностью для ОВЧ и более высоких частот чрезвычайно важна при рассмотрении ERP, поскольку покрытие сигнала ( дальность вещания ), создаваемое данным ERP, резко увеличивается с высотой антенны. Из-за этого 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.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Джонс, Грэм А.; Слой, Дэвид Х.; Осенковский, Томас Г. (2007). Справочник Национальной ассоциации телерадиовещателей по инженерным вопросам, 10-е изд . Эльзевир. п. 1632. ИСБН 978-1136034107 .
^ Jump up to: ^а ^б Хуан, И; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике . Джон Уайли и сыновья. стр. 117–118. ISBN 978-0470772928 .
^ Jump up to: ^а ^б Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот . Джон Уайли и сыновья. п. 292. ИСБН 0471743682 .
^ Jump up to: ^а ^б Вейк, Мартин Х. (2012). Стандартный словарь средств связи . Springer Science and Business Media. п. 327. ИСБН 978-1461566724 .
^ Ченг, Дэвид К. (1992). Полевая и волновая электромагнетика, 2-е изд . Аддисон-Уэсли. стр. 648–650.
^ 47 CFR 73.211
^ Jump up to: ^а ^б ^с Барклай, Лес, изд. (2003). Распространение радиоволн . Том 2 «Электромагнетика и радиолокации», Цифровая библиотека ИЭПП. Институт инженеров-электриков (участник). Лондон: Институт инженерии и технологий. стр. 13–14. ISBN 978-0-85296-102-5 . Проверено 14 сентября 2020 г.
^ Jump up to: ^а ^б «3MTR может получить увеличение мощности» . радиоинфо . 24 ноября 2011 года . Проверено 14 сентября 2020 г.
^ «Руководство по услугам вещания (техническое планирование) 2017» . Федеральный реестр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 г. Проверено 14 сентября 2020 г. Текст был скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) .

[NAB-1] Jump up to: ^а ^б Джонс, Грэм А.; Слой, Дэвид Х.; Осенковский, Томас Г. (2007). Справочник Национальной ассоциации телерадиовещателей по инженерным вопросам, 10-е изд . Эльзевир. п. 1632. ИСБН 978-1136034107 .

[Huang-2] Jump up to: ^а ^б Хуан, И; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике . Джон Уайли и сыновья. стр. 117–118. ISBN 978-0470772928 .

[Seybold-3] Jump up to: ^а ^б Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот . Джон Уайли и сыновья. п. 292. ИСБН 0471743682 .

[Weik-4] Jump up to: ^а ^б Вейк, Мартин Х. (2012). Стандартный словарь средств связи . Springer Science and Business Media. п. 327. ИСБН 978-1461566724 .

[5] Ченг, Дэвид К. (1992). Полевая и волновая электромагнетика, 2-е изд . Аддисон-Уэсли. стр. 648–650.

[6] 47 CFR 73.211

[barclay-7] Jump up to: ^а ^б ^с Барклай, Лес, изд. (2003). Распространение радиоволн . Том 2 «Электромагнетика и радиолокации», Цифровая библиотека ИЭПП. Институт инженеров-электриков (участник). Лондон: Институт инженерии и технологий. стр. 13–14. ISBN 978-0-85296-102-5 . Проверено 14 сентября 2020 г.

[3mtr-8] Jump up to: ^а ^б «3MTR может получить увеличение мощности» . радиоинфо . 24 ноября 2011 года . Проверено 14 сентября 2020 г.

[9] «Руководство по услугам вещания (техническое планирование) 2017» . Федеральный реестр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 г. Проверено 14 сентября 2020 г. Текст был скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]