Efektivní vyzářený výkon - Effective radiated power

Ilustrace definice ekvivalentního izotropně vyzářeného výkonu (EIRP). Osy mají jednotky síly signálu v decibelech. je vyzařovací diagram daného vysílače pohánějícího směrovou anténu . Vyzařuje sílu signálu vzdáleného pole ve směru maximálního záření ( hlavní lalok ) podél osy z. Zelená koule je vyzařovací diagram ideální izotropní anténa , která vyzařuje stejnou sílu maximální signál jako směrnice anténu dělá. Výkon vysílače, který by musel být aplikován na izotropní anténu, aby vyzařoval tolik energie, je EIRP.

Efektivní vyzářený výkon ( ERP ), synonymum ekvivalentního vyzářeného výkonu , je IEEE standardizovaná definice směrového vysokofrekvenčního (RF) výkonu, jako je například vyzařovaný rádiovým vysílačem . Jedná se o celkový výkon ve wattech, který by musel být vyzařován půlvlnnou dipólovou anténou, aby byla zajištěna stejná intenzita záření (síla signálu nebo hustota toku energie ve wattech na metr čtvereční) jako skutečná zdrojová anténa ve vzdáleném přijímači umístěném v směr nejsilnějšího paprsku antény ( hlavní lalok ). ERP měří kombinaci energie vysílané vysílačem a schopnosti antény směrovat tuto energii v daném směru. Rovná se příkonu antény vynásobenému ziskem antény. Používá se v elektronice a telekomunikacích , zejména ve vysílání ke kvantifikaci zdánlivého výkonu vysílací stanice, kterou zažívají posluchači v oblasti jejího příjmu.

Alternativním parametrem, který měří stejnou věc, je efektivní izotropní vyzářený výkon ( EIRP ). Efektivní izotropní vyzařovaný výkon je hypotetický výkon, který by musel být vyzařován izotropní anténou, aby se získala stejná („ekvivalentní“) síla signálu jako skutečná zdrojová anténa ve směru nejsilnějšího paprsku antény. Rozdíl mezi EIRP a ERP spočívá v tom, že ERP porovnává skutečnou anténu s půlvlnnou dipólovou anténou, zatímco EIRP ji porovnává s teoretickou izotropní anténou. Vzhledem k tomu, že půlvlnná dipólová anténa má zisk 1,64 (nebo 2,15 dB ) ve srovnání s izotropním zářičem, jsou-li ERP a EIRP vyjádřeny ve wattech, jejich vztah je

Pokud jsou vyjádřeny v decibelech

Definice

Efektivní vyzařovaný výkon a efektivní izotropní vyzařovaný výkon měří hustotu energie, kterou vyzařuje rádiový vysílač a anténa (nebo jiný zdroj elektromagnetických vln) v určitém směru: ve směru maximální síly signálu („ hlavní lalok “) jeho vyzařovacího diagramu . Tento zdánlivý výkon závisí na dvou faktorech: na celkovém výstupním výkonu a vyzařovacím diagramu antény - kolik z tohoto výkonu je vyzařováno v požadovaném směru. Druhý faktor je kvantifikován ziskem antény , což je poměr síly signálu vyzařovaného anténou ve směru maximálního vyzařování k tomu vyzařovanému standardní anténou. Například 1 000 wattový vysílač napájející anténu se ziskem 4 (6 dBi) bude mít stejnou sílu signálu ve směru svého hlavního laloku, a tedy stejnou ERP a EIRP, jako 4 000 wattový vysílač napájející anténa se ziskem 1 (0 dBi). ERP a EIRP jsou tedy měřítky vyzařovaného výkonu, které mohou srovnávat různé kombinace vysílačů a antén na stejném základě.

Přes jména ERP a EIRP neměří výkon vysílače nebo celkový výkon vyzařovaný anténou, jsou pouze měřítkem síly signálu podél hlavního laloku. Neposkytují žádné informace o výkonu vyzařovaném jinými směry nebo o celkovém výkonu. ERP a EIRP jsou vždy větší než skutečný celkový výkon vyzařovaný anténou.

Rozdíl mezi ERP a EIRP spočívá v tom, že zisk antény se tradičně měří ve dvou různých jednotkách, přičemž se anténa porovnává se dvěma různými standardními anténami; izotropní anténa a dipól půlvlna anténa:

  • Izotropní zisk je poměr hustoty výkonu (síla signálu ve wattech na metr čtvereční) přijímaného v bodě daleko od antény (ve vzdáleném poli ) ve směru jeho maximálního záření (hlavní lalok), k výkonu přijímanému v stejný bod z hypotetické bezztrátové izotropní antény , která vyzařuje stejnou sílu ve všech směrech
Zisk je často vyjádřen v logaritmických jednotkách decibelů (dB). Zisk decibelů vzhledem k izotropní anténě (dBi) je dán vztahem
  • Dipólový zisk je poměr hustoty výkonu přijímaného z antény ve směru jeho maximálního záření k hustotě výkonu přijímaného z bezztrátové půlvlnné dipólové antény ve směru jeho maximálního záření
Zisk decibelů vzhledem k dipólu (dBd) je dán vztahem

Na rozdíl od izotropní antény má dipól vyzařovací diagram ve tvaru „koblihy“, jeho vyzařovaný výkon je maximální ve směrech kolmých na anténu a klesá na nulu na ose antény. Protože záření dipólu je soustředěno v horizontálních směrech, je zisk půlvlnného dipólu větší než u izotropní antény. Izotropní zisk půlvlnného dipólu je 1,64, nebo v decibelech 10 log 1,64 = 2,15 dBi, takže

V decibelech

Dvě míry EIRP a ERP jsou založeny na dvou různých standardních anténách výše:

  • EIRP je definován jako příkon RMS ve wattech požadovaný pro bezztrátovou izotropní anténu, aby poskytoval stejnou maximální hustotu výkonu daleko od antény jako skutečný vysílač. Rovná se příkonu do antény vysílače vynásobenému ziskem izotropní antény
ERP a EIRP jsou také často vyjádřeny v decibelech (dB). Vstupní výkon v decibelech se obvykle počítá s porovnání s referenční úrovně jednoho watt (W): . Protože násobení dvou faktorů je ekvivalentní součtu jejich decibelových hodnot
  • ERP je definován jako příkon RMS ve wattech požadovaný pro bezztrátovou půlvlnovou dipólovou anténu, aby byla zajištěna stejná maximální hustota výkonu daleko od antény jako skutečný vysílač. Rovná se příkonu do antény vysílače vynásobenému ziskem antény vzhledem k půlvlnnému dipólu
V decibelech

Jelikož se dvě definice zisku liší pouze konstantním faktorem, liší se i ERP a EIRP

V decibelech

Vztah k výstupnímu výkonu vysílače

Vysílač je obvykle připojen k anténě přenosovým vedením . Vzhledem k tomu, že přenosové vedení může mít značné ztráty , je výkon aplikovaný na anténu obvykle menší než výstupní výkon vysílače . Vztah ERP a EIRP k výstupnímu výkonu vysílače je

Ztráty v samotné anténě jsou zahrnuty do zisku.

Vztah k síle signálu

Pokud je signální cesta ve volném prostoru ( šíření přímého vidění bez multipath ), může být síla signálu ( hustota toku energie ve wattech na metr čtvereční) rádiového signálu na ose hlavního laloku v jakékoli konkrétní vzdálenosti od antény počítáno z EIRP nebo ERP. Protože izotropní anténa vyzařuje stejnou hustotu toku energie přes kouli se středem na anténě a oblast koule s poloměrem je pak

Vzhledem k tomu ,

Pokud však rádiové vlny cestují pozemní vlnou, jak je typické pro vysílání se středními nebo dlouhými vlnami, při přenosu hrají roli nebeské vlny nebo nepřímé cesty, vlny utrpí další útlum, který závisí na terénu mezi anténami, takže tyto vzorce nejsou platné .

Dipólové vs. izotropní radiátory

Protože se ERP počítá jako zisk antény (v daném směru) ve srovnání s maximální směrovostí půlvlnné dipólové antény , vytváří matematicky virtuální efektivní dipólovou anténu orientovanou ve směru přijímače. Jinými slovy, fiktivní přijímač v daném směru od vysílače by přijímal stejný výkon, pokud by byl zdroj nahrazen ideálním dipólem orientovaným s maximální směrovostí a sladěnou polarizací směrem k přijímači a se vstupním výkonem antény rovným ERP. Přijímač by nebyl schopen určit rozdíl. Maximální směrovost ideálního půlvlnného dipólu je konstanta, tj. 0 dBd = 2,15 dBi. Proto je ERP vždy o 2,15 dB nižší než EIRP. Ideální dipólová anténa by mohla být dále nahrazena izotropním zářičem (čistě matematické zařízení, které ve skutečném světě nemůže existovat) a přijímač nemůže znát rozdíl, pokud se zvýší příkon o 2,15 dB.

Bohužel rozdíl mezi dBd a dBi často není uveden a čtenář je někdy nucen vyvodit, který z nich byl použit. Například anténa Yagi – Uda je konstruována z několika dipólů uspořádaných v přesných intervalech, aby vytvořila lepší energetické zaostření (směrovost) než jednoduchý dipól. Jelikož je konstruován z dipólů, je často zisk jeho antény vyjádřen v dBd, ale je uveden pouze jako dB. Je zřejmé, že tato nejednoznačnost je s ohledem na technické specifikace nežádoucí. Maximální směrovost antény Yagi – Uda je 8,77 dBd = 10,92 dBi. Jeho zisk musí být nutně menší než činitel η, který musí být záporný v jednotkách dB. ERP ani EIRP nelze vypočítat bez znalosti výkonu přijímaného anténou, tj. Není správné používat jednotky dBd nebo dBi s ERP a EIRP. Předpokládejme 100 wattový (20 dBW) vysílač se ztrátou 6 dB před anténou. ERP <22,77 dBW a EIRP <24,92 dBB, oba méně než ideální o η v dB. Za předpokladu, že přijímač je v prvním postranním laloku vysílací antény, a každá hodnota je dále snížena o 7,2 dB, což je pokles směrovosti z hlavního do postranního laloku Yagi-Uda. Proto kdekoli ve směru bočního laloku od tohoto vysílače nemohl slepý přijímač poznat rozdíl, pokud byl Yagi-Uda nahrazen buď ideálním dipólem (orientovaným směrem k přijímači), nebo izotropním zářičem se vstupním výkonem antény zvýšeným o 1,57 dB.

Polarizace

Polarizace zatím nebyla zohledněna, ale musí být řádně objasněna. Když jsme dříve uvažovali o dipólovém zářiči, předpokládali jsme, že byl dokonale vyrovnán s přijímačem. Nyní však předpokládejme, že přijímací anténa je kruhově polarizovaná a bez ohledu na orientaci antény dojde ke ztrátě polarizace minimálně 3 dB . Pokud je přijímač také dipól, je možné jej zarovnat kolmo k vysílači tak, aby byla teoreticky přijímána nulová energie. Tato ztráta polarizace však není zohledněna při výpočtu ERP nebo EIRP. Místo toho musí návrhář přijímajícího systému tuto ztrátu odpovídajícím způsobem zohlednit. Například mobilní telefonní věž má pevnou lineární polarizaci, ale mobilní telefon musí dobře fungovat při jakékoli libovolné orientaci. Návrh sluchátek by proto mohl poskytovat příjem dvojí polarizace na sluchátku tak, aby byla zachycená energie maximalizována bez ohledu na orientaci, nebo návrhář mohl použít kruhově polarizovanou anténu a zohlednit ztrátu navíc 3 dB se zesílením.

Příklad FM

Čtyřpólová zkřížená dipólová anténa vysílací stanice FM.

Například rozhlasová stanice FM, která inzeruje, že má 100 000 wattů energie, má ve skutečnosti 100 000 wattů ERP, a nikoli skutečný 100 000 wattový vysílač. Výstupní výkon vysílače (TPO) takového stanice typicky může být 10.000 až 20.000 w, s faktorem zesílení 5 až 10 (5 x 10 x, nebo 7 až 10 dB ). Ve většině návrhů antén je zisk realizován primárně soustředěním energie směrem k vodorovné rovině a potlačením v úhlech nahoru a dolů, pomocí fázovaných polí anténních prvků. Distribuce energie v závislosti na úhlu elevace se nazývá vertikální obrazec. Pokud je anténa také směrová vodorovně, zisk a ERP se budou lišit podle azimutu ( směr kompasu ). Spíše než průměrný výkon ve všech směrech, je to zdánlivý výkon ve směru hlavního laloku antény, který je citován jako ERP stanice (toto tvrzení je jen dalším způsobem, jak uvést definici ERP). To platí zejména pro obrovské ERP hlášené pro krátkovlnné vysílací stanice, které používají velmi úzké šířky paprsku k přenosu svých signálů napříč kontinenty a oceány.

Regulační použití v USA

ERP pro FM rádio ve Spojených státech je vždy relativní k teoretické referenční půlvlnné dipólové anténě. (To znamená, že při výpočtu ERP je nejpřímější přístup pracovat se ziskem antény v dBd). Pro řešení polarizace antény uvádí Federální komunikační komise (FCC) ERP v horizontálním i vertikálním měření pro FM a TV. Horizontální je standardem pro oba, ale pokud je vertikální ERP větší, použije se místo toho.

Maximální ERP pro americké vysílání v pásmu FM je obvykle 100 000 wattů (zóna FM II) nebo 50 000 wattů (v obecně hustěji osídlených zónách I a IA), ačkoli přesná omezení se liší v závislosti na třídě licence a výšce antény nad průměrným terénem ( HAAT). Některé stanice byly otráveny nebo velmi zřídka dostali výjimku a mohou překročit běžná omezení.

Problémy s mikrovlnným pásmem

U většiny mikrovlnných systémů se jako referenční anténa používá zcela nesměrová izotropní anténa (ta, která vyzařuje rovnoměrně a dokonale v každém směru - fyzická nemožnost), a pak se mluví spíše o EIRP (efektivní izotropní vyzařovaný výkon) než o ERP . To zahrnuje satelitní transpondéry , radary a další systémy, které používají spíše antény než dipólové antény a mikrovlnné antény.

Problémy s nižší frekvencí

V případě stanic středních vln (AM) ve Spojených státech jsou výkonové limity nastaveny na skutečný výkon vysílače a ERP se při běžných výpočtech nepoužívá. Všesměrové antény používané řadou stanic vyzařují signál rovnoměrně ve všech směrech. Směrová pole se používají k ochraně stanic v sousedním nebo sousedním kanálu, obvykle v noci, ale některá běží směrově 24 hodin. Zatímco při navrhování takového pole se zohledňuje účinnost antény a vodivost země, databáze FCC zobrazuje výkon vysílače stanice, nikoli ERP.

Související pojmy

Podle Institution of Electrical Engineers (UK) se ERP často používá jako obecný referenční termín pro vyzařovaný výkon, ale přísně vzato by se měl používat pouze v případě, že anténa je půlvlnný dipól, a používá se při odkazu na přenos FM.

EMRP

Efektivní vyzařovaný výkon monopolu ( EMRP ) lze v Evropě použít, zejména ve vztahu k vysílacím anténám se středními vlnami . To je stejné jako u ERP, kromě toho, že místo referenční antény se místo půlvlnného dipólu používá krátká vertikální anténa (tj. Krátký monopole ) .

CMF

Cymomotorická síla ( CMF ) je alternativní termín používaný k vyjádření intenzity záření ve voltech , zejména při nižších frekvencích. Používá se v australských právních předpisech regulujících vysílací služby AM, které jej popisují jako: „pro vysílač [to] znamená produkt vyjádřený ve voltech: a) intenzity elektrického pole v daném bodě ve vesmíru v důsledku činnost vysílače a b) vzdálenost tohoto bodu od antény vysílače “.

Týká se pouze vysílání AM a vyjadřuje intenzitu pole v „ mikrovoltech na metr ve vzdálenosti 1 kilometr od vysílací antény“.

HAAT

Výška nad průměrem terénu pro VHF a vyšší frekvence je při zvažování ERP nesmírně důležitá, protože pokrytí signálu ( rozsah vysílání ) produkované daným ERP se dramaticky zvyšuje s výškou antény. Z tohoto důvodu je možné, aby stanice s pouhými několika stovkami wattů ERP pokryla větší plochu než stanice s několika tisíci wattů ERP, pokud její signál cestuje nad překážkami na zemi.

Viz také

Reference