Эффективная излучаемая мощность ( ERP ), синоним эквивалентной излучаемой мощности , является стандартизированным IEEE определением направленной радиочастотной (RF) мощности, например, излучаемой радиопередатчиком . Это полная мощность в ваттах, которую должна излучать полуволновая дипольная антенна, чтобы получить такую же интенсивность излучения (мощность сигнала или плотность потока мощности в ваттах на квадратный метр), что и у реальной исходной антенны на удаленном приемнике, расположенном в направление самого сильного луча антенны ( главный лепесток). 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 приема.
Альтернативный параметр, который измеряет то же самое, - эффективная изотропная излучаемая мощность ( EIRP ). Эффективная изотропная излучаемая мощность - это гипотетическая мощность, которая должна быть излучена изотропной антенной, чтобы дать 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 усиление 1,64 (или 2,15 дБ ) по сравнению с изотропным излучателем, если ERP и EIRP выражены в ваттах, их соотношение будет
Если они выражены в децибелах
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 (« главный лепесток ») 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 желаемом направлении. Последний фактор количественно выражается усилением антенны , которое представляет собой отношение мощности сигнала, излучаемого антенной в направлении максимального излучения, к уровню, излучаемому стандартной антенной. Например, передатчик мощностью 1000 Вт, питающий антенну с усилением 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 заключается в том, что усиление антенны традиционно измеряется в двух разных единицах, сравнивая антенну с двумя разными стандартными антеннами; изотропная антенна и дипольная полуволновая антенна:
- Изотропный коэффициент усиления - это отношение удельной мощности(мощность сигнала в ваттах на квадратный метр), принятого в точке, удаленной от антенны (в дальнем поле ) в направлении ее максимального излучения (главный лепесток), до мощностипринимается в одной и 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 выражением
- Дипольное усиление - это отношение плотности мощности, полученной от антенны в направлении ее максимального излучения, к плотности мощности.принимается от полуволновой дипольной антенны без потерь в направлении ее максимального излучения
- Усиление в децибелах относительно диполя (дБд) определяется выражением
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
В децибелах
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 изотропной антенны без потерь, 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.
- ERP и EIRP также часто выражаются в децибелах (дБ). Входная мощность в децибелах обычно рассчитывается по сравнению с эталонным уровнем в один ватт (Вт): . Поскольку умножение двух множителей эквивалентно сложению их значений в децибелах
- ERP определяется как среднеквадратичная входная мощность в ваттах, необходимая для полуволновой дипольной антенны без потерь, чтобы обеспечить такую же максимальную плотность мощности вдали от антенны, что и фактический передатчик. Он равен мощности, подводимой к антенне передатчика, умноженной на усиление антенны относительно полуволнового диполя.
- В децибелах
Поскольку два определения усиления различаются только постоянным коэффициентом, то же самое и с ERP и EIRP.
В децибелах
Отношение к выходной мощности передатчика
Передатчик обычно подключается к антенне через линию передачи . Поскольку в ЛЭП могут быть значительные потеримощность, подаваемая на антенну, обычно меньше выходной мощности передатчика. . Отношение ERP и EIRP к выходной мощности передатчика:
Потери в самой антенне включаются в коэффициент усиления.
Отношение к силе сигнала
Если путь прохождения сигнала находится в свободном пространстве ( распространение в пределах прямой видимости без многолучевого распространения ), 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 над сферой с центром на антенне, а площадь сферы с радиусом является тогда
С ,
Однако, если радиоволны распространяются по земной волне, как это типично для средневолнового или длинноволнового вещания, небесная волна или непрямые пути играют роль в передаче, волны будут испытывать дополнительное затухание, 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 полуволновой дипольной антенны , она 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 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, чтобы обеспечить лучшую фокусировку энергии (направленность), чем простой диполь. Поскольку он состоит из диполей, часто его усиление антенны выражается в дБд, но указывается только как дБ. Очевидно, такая двусмысленность нежелательна с точки зрения технической документации. Максимальная направленность антенны Яги – Уда составляет 8,77 дБд = 10,92 дБи. Его усиление обязательно должно быть меньше указанного на коэффициент η, который должен быть отрицательным в единицах дБ. Ни ERP, ни EIRP нельзя рассчитать 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 пока 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 эту потерю. 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, так что захваченная энергия максимизируется независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учитывать дополнительные 3 дБ потерь с усилением.
Пример FM
Например, FM- радиостанция, которая рекламирует, что она имеет мощность 100 000 ватт, на самом деле имеет ERP 100 000 ватт, а не реальный передатчик на 100 000 ватт. Выходная мощность передатчика (ТПО) такой станции , как правило , может быть от 10000 до 20000 Вт, с коэффициентом усиления от 5 до 10 (5 × 10 ×, или от 7 до 10 дБ ). В большинстве конструкций антенн усиление достигается в первую очередь за счет концентрации мощности в горизонтальной плоскости и подавления ее под углом вверх и вниз за счет использования фазированных решеток антенных элементов. Распределение мощности в зависимости от угла места известно как вертикальная диаграмма. Когда антенна также направлена горизонтально, усиление и ERP будут изменяться в зависимости от азимута ( направления по компасу ). Вместо средней мощности по всем направлениям, это кажущаяся мощность в направлении главного лепестка антенны, которая указывается в качестве ERP станции (это утверждение - просто еще один способ сформулировать определение ERP). Это особенно применимо к огромным ERP, о которых сообщается для коротковолновых радиовещательных станций, которые используют очень узкую ширину луча для передачи своих сигналов через континенты и океаны.
Нормативное использование США
ERP для FM-радио в Соединенных Штатах всегда относительно теоретической эталонной полуволновой дипольной антенны. (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) перечисляет ERP как для горизонтальных, так и для вертикальных измерений 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 100000 Вт (FM зона II) или 50000 Вт (в более густонаселенных зонах I и IA), хотя точные ограничения меняются в зависимости от класса лицензии и высоты антенны над средним рельефом ( HAAT). [6] Некоторые станции были grandfathered или, очень редко, был дан отказ , и может превышать нормальные ограничения.
Проблемы с микроволновым диапазоном
Для большинства микроволновых систем полностью ненаправленная изотропная антенна (та, которая излучает одинаково и идеально во всех направлениях - физическая невозможность) используется в качестве эталонной антенны, а затем 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 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 сутки. 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 Институту инженеров-электриков (Великобритания), ERP часто используется как общий справочный термин для излучаемой мощности, но, строго говоря, его следует использовать только тогда, когда антенна представляет собой полуволновой диполь [7], и используется при обращении к FM. коробка передач. [8]
EMRP
Эффективная монопольная излучаемая мощность ( EMRP ) может использоваться в Европе, особенно в отношении антенн средневолнового радиовещания. Это то же самое, что и ERP, за исключением того, что короткая вертикальная антенна (то есть короткий монополь ) используется в качестве эталонной антенны вместо полуволнового диполя . [7]
CMF
Цимомоторная сила ( CMF ) - это альтернативный термин, используемый для выражения интенсивности излучения в вольтах , особенно на более низких частотах. [7] Он используется в австралийском законодательстве, регулирующем услуги AM-вещания, которое описывает его как: «для передатчика [это] означает произведение, выраженное в вольтах, на: (a) напряженность электрического поля в данной точке пространства. из-за работы передатчика и (b) расстояние от этой точки до антенны передатчика ". [9]
Он относится только к радиовещанию AM и выражает напряженность поля в « микровольтах на метр на расстоянии 1 км от передающей антенны». [8]
HAAT
Высота над средним уровнем местности для ОВЧ и более высоких частот чрезвычайно важна при рассмотрении ERP, поскольку зона покрытия сигнала ( дальность вещания ), создаваемая 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 ERP, если ее сигнал проходит над препятствиями на земле.
Смотрите также
- Номинальная мощность (радиовещание)
- Список классов радиостанций
Рекомендации
- ^ a b Джонс, Грэм А .; Layer, Дэвид Х .; Осенковский, Томас Г. (2007). Инженерный справочник Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд . Эльзевир. п. 1632. ISBN 978-1136034107.
- ^ а б Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике . Джон Уайли и сыновья. С. 117–118. ISBN 978-0470772928.
- ^ а б Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот . Джон Уайли и сыновья. п. 292. ISBN. 0471743682.
- ^ а б Вейк, Мартин Х. (2012). Стандартный словарь связи . Springer Science and Business Media. п. 327. ISBN. 978-1461566724.
- ^ Ченг, Дэвид К. (1992). Полевая и волновая электромагнетизм, 2-е изд . Эддисон-Уэсли. С. 648–650.
- ^ 47 CFR 73.211
- ^ а б в Барклай, Лес, изд. (2003). Распространение радиоволн . Том 2 журнала «Электромагнетизм и радар», электронная библиотека ИЭПП. Институт инженеров-электриков (участник). Лондон: Институт инженерии и технологий. п. 13-14. ISBN 978-0-85296-102-5. Проверено 14 сентября 2020 года .
- ^ а б «3MTR может получить увеличение мощности» . радиоинфо . 24 ноября 2011 . Проверено 14 сентября 2020 года .
- ^ «Руководящие принципы в области вещательных услуг (техническое планирование) на 2017 год» . Федеральный регистр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 . Проверено 14 сентября 2020 года . Текст был скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) .