Эффективная излучаемая мощность

Иллюстрация определения эквивалентной изотропно излучаемой мощности (EIRP). На осях указаны единицы мощности сигнала в децибелах. - диаграмма направленности данного передатчика, управляющего направленной антенной . Он излучает сигнал в дальнем поле силой в направлении максимального излучения ( главный лепесток ) вдоль оси z. Зеленая сфера является излучение картина идеальной изотропной антенны , которая излучает такую же прочность , как максимум сигнала направленной антенны делает. Мощность передатчика, которая должна быть приложена к изотропной антенне для излучения такой мощности, называется EIRP.

{\ displaystyle R _ {\ text {a}}}

{\ displaystyle S}

{\ displaystyle R _ {\ text {iso}}}

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 антенны источника 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, которую должна излучать изотропная антенна, 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

{\ displaystyle \ mathrm {EIRP (W)} = 1,64 \ cdot \ mathrm {ERP (W)}}

Если они выражены в децибелах

{\ Displaystyle \ mathrm {EIRP (дБ)} = \ mathrm {ERP (дБ)} +2,15}

Определения [ править ]

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 определяется усилением 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 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:

Изотропное усиление - это отношение плотности мощности (мощность сигнала в ваттах на квадратный метр), полученной в точке, удаленной от антенны (в дальнем поле ) в направлении ее максимального излучения (главный лепесток), к мощности, принимаемой на антенне. та же точка от гипотетической изотропной антенны без потерь , которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях ${\ displaystyle S _ {\ text {max}}}$ ${\ displaystyle S _ {\ text {max, изотропный}}}$

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

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

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

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. $S_{\text{max,dipole}}$

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

Усиление 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 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

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

В децибелах

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 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.

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

ERP и EIRP также часто выражаются в децибелах (дБ). Входная мощность в децибелах, как правило , рассчитана с сравнением с эталонным уровнем одного ватт (Вт): . Поскольку умножение двух множителей эквивалентно сложению их значений в децибелах

P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}

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

ERP определяется как входная среднеквадратичная мощность в ваттах, необходимая для полуволновой дипольной антенны без потерь для обеспечения такой же максимальной плотности мощности вдали от антенны, что и фактический 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 усиления различаются только постоянным коэффициентом, то же самое относится и к 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 [ править ]

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

\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 мощностью сигнала [ править ]

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 может быть рассчитывается из EIRP или ERP. Так как изотропная антенна излучает равную плотность потока мощности по сфере с центром в антенне, а площадь сферы с радиусом является то $S$ $r$ $r$ $A=4\pi r^{2}$

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

Поскольку , $\mathrm {EIRP} =\mathrm {ERP} /1.64$

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

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 [ править ]

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.к приемнику 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 – Удасостоит 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, 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 невозможно 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.слепой приемник не мог заметить разницы, был ли Яги-Уда заменен либо идеальным диполем (ориентированным на приемник), либо изотропным излучателем с входной мощностью антенны, увеличенной на 1,57 дБ.слепой приемник не мог заметить разницы, был ли Яги-Уда заменен либо идеальным диполем (ориентированным на приемник), либо изотропным излучателем с входной мощностью антенны, увеличенной на 1,57 дБ.^[5]

Поляризация [ править ]

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 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, так что захваченная энергия максимизируется независимо от ориентации, или разработчик может использовать антенну с круговой поляризацией и учесть дополнительные 3 дБ потерь с усилением.

Пример FM [ править ]

Четырехпролетная перекрестно-дипольная антенна радиовещательной станции FM

Например, FM- радиостанция, рекламирующая, что она имеет мощность 100 000 ватт, на самом деле имеет ERP 100 000 ватт, а не фактический 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 реализуется 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 местаизвестен как вертикальный узор. Когда антенна также направлена горизонтально, усиление и ERP будут изменяться в зависимости от азимута ( направления по компасу ). 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 коротковолновых радиовещательных станций, которые используют очень узкую ширину луча для передачи своих сигналов через континенты и океаны.

Нормативное использование США [ править ]

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 50 000 Вт (в более густонаселенных зонах I и IA), хотя точные ограничения зависят от класса лицензии и высоты антенны над средним рельефом местности ( HAAT). ^[6] Некоторые станции были grandfathered или, очень редко, был дан отказ , и может превышать нормальные ограничения.

Проблемы с микроволновым диапазоном [ править ]

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

Проблемы с более низкой частотой [ править ]

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 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 условия [ править ]

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 [ править ]

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 [ править ]

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: (а) 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 [ править ]

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, если ее сигнал проходит над препятствиями на земле.

См. Также [ править ]

Номинальная мощность (радиовещание)
Список классов радиостанций

Ссылки [ править ]

^ 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.
^ a b Сейболд, Джон С. (2005). Введение в радиочастотное распространение . Джон Уайли и сыновья. п. 292. ISBN. 0471743682.
^ a b 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
^ a b c 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. Дата обращения 14 сентября 2020 .
^ a b «3MTR может получить увеличение мощности» . радиоинфо . 24 ноября 2011 . Дата обращения 14 сентября 2020 .
^ «Рекомендации 2017 по услугам вещания (техническое планирование)» . Федеральный регистр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 . Дата обращения 14 сентября 2020 . Текст был скопирован из этого источника, доступного по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) .

[NAB-1] Джонс, Грэм А .; Layer, Дэвид Х .; Осенковский, Томас Г. (2007). Инженерный справочник Национальной ассоциации вещателей, 10-е изд . Эльзевир. п. 1632. ISBN 978-1136034107.

[Huang-2] а б Хуанг, Йи; Бойл, Кевин (2008). Антенны: от теории к практике . Джон Уайли и сыновья. С. 117–118. ISBN 978-0470772928.

[Seybold-3] Сейболд, Джон С. (2005). Введение в радиочастотное распространение . Джон Уайли и сыновья. п. 292. ISBN. 0471743682.

[Weik-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

[barclay-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. Дата обращения 14 сентября 2020 .

[3mtr-8] «3MTR может получить увеличение мощности» . радиоинфо . 24 ноября 2011 . Дата обращения 14 сентября 2020 .

[9] «Рекомендации 2017 по услугам вещания (техническое планирование)» . Федеральный регистр законодательства . Правительство Австралии. 28 сентября 2017 . Дата обращения 14 сентября 2020 . Текст был скопирован из этого источника, доступного по лицензии Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) .

[1]