Potência irradiada efetiva - Effective radiated power

Ilustração da definição de potência isotropicamente radiada equivalente (EIRP). Os eixos têm unidades de intensidade do sinal em decibéis. é o padrão de radiação de um determinado transmissor acionando uma antena direcional . Ele irradia uma intensidade de sinal de campo distante em sua direção de radiação máxima ( lóbulo principal ) ao longo do eixo z. A esfera verde é o padrão de radiação de uma antena isotrópica ideal que irradia a mesma intensidade de sinal máxima que a antena diretiva. A potência do transmissor que teria de ser aplicada à antena isotrópica para irradiar tanta potência é o EIRP.${\ displaystyle R _ {\ text {a}}}$${\ displaystyle S}$${\ displaystyle R _ {\ text {iso}}}$

Potência irradiada efetiva ( ERP ), sinônimo de potência irradiada equivalente , é uma definição padronizada IEEE de potência de radiofrequência (RF) direcional , como a emitida por um transmissor de rádio . É a potência total em watts que teria que ser irradiada por uma antena dipolo de meia onda para dar a mesma intensidade de radiação (intensidade do sinal ou densidade de fluxo de potência em watts por metro quadrado) que a antena de origem real em um receptor distante localizado em a direção do feixe mais forte da antena ( lóbulo principal ). O ERP mede a combinação da potência emitida pelo transmissor e a capacidade da antena de direcionar essa potência em uma determinada direção. É igual à potência de entrada da antena multiplicada pelo ganho da antena. É usado em eletrônica e telecomunicações , principalmente em radiodifusão, para quantificar a potência aparente de uma emissora experimentada pelos ouvintes em sua área de recepção.

Um parâmetro alternativo que mede a mesma coisa é a potência isotrópica irradiada efetiva ( EIRP ). A potência isotrópica irradiada efetiva é a potência hipotética que teria de ser irradiada por uma antena isotrópica para fornecer a mesma intensidade de sinal ("equivalente") da antena de origem real na direção do feixe mais forte da antena. A diferença entre o EIRP e o ERP é que o ERP compara a antena real a uma antena dipolo de meia onda, enquanto o EIRP a compara a uma antena isotrópica teórica. Uma vez que uma antena dipolo de meia onda tem um ganho de 1,64 (ou 2,15 dB ) em comparação com um radiador isotrópico, se ERP e EIRP são expressos em watts, sua relação é

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

Se forem expressos em decibéis

$${\ displaystyle \ mathrm {EIRP (dB)} = \ mathrm {ERP (dB)} +2,15}$$

Definições

A potência irradiada efetiva e a potência irradiada isotrópica efetiva medem a densidade de potência que um transmissor de rádio e uma antena (ou outra fonte de ondas eletromagnéticas) irradiam em uma direção específica: na direção da força máxima do sinal (o " lóbulo principal ") de seu padrão de radiação . Essa potência aparente depende de dois fatores: a potência total de saída e o padrão de radiação da antena - quanto dessa potência é irradiada na direção desejada. O último fator é quantificado pelo ganho da antena , que é a razão entre a intensidade do sinal irradiado por uma antena em sua direção de radiação máxima e aquela irradiada por uma antena padrão. Por exemplo, um transmissor de 1.000 watts alimentando uma antena com um ganho de 4 (6 dBi) terá a mesma intensidade de sinal na direção de seu lóbulo principal e, portanto, o mesmo ERP e EIRP, que um transmissor de 4.000 watts alimentando um antena com ganho de 1 (0 dBi). Portanto, ERP e EIRP são medidas de potência irradiada que podem comparar diferentes combinações de transmissores e antenas em uma base igual.

Apesar dos nomes, ERP e EIRP não medem a potência do transmissor, ou a potência total irradiada pela antena, eles são apenas uma medida da força do sinal ao longo do lóbulo principal. Eles não fornecem informações sobre o poder irradiado em outras direções, ou sobre o poder total. ERP e EIRP são sempre maiores do que a potência total real irradiada pela antena.

A diferença entre ERP e EIRP é que o ganho da antena tem sido tradicionalmente medido em duas unidades diferentes, comparando a antena com duas antenas padrão diferentes; uma antena isotrópica e uma antena dipolo de meia onda :

• O ganho isotrópico é a razão da densidade de potência (intensidade do sinal em watts por metro quadrado) recebida em um ponto distante da antena (no campo distante ) na direção de sua radiação máxima (lóbulo principal), para a potência recebida no mesmo ponto de uma antena isotrópica sem perdas hipotética , que irradia potência igual em todas as direções${\ displaystyle S _ {\ text {max}}}$${\ displaystyle S _ {\ text {max, isotrópico}}}$

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

O ganho é freqüentemente expresso em unidades logarítmicas de decibéis (dB). O ganho de decibéis em relação a uma antena isotrópica (dBi) é dado por

${\ displaystyle \ mathrm {G} {\ text {(dBi)}} = 10 \ log {S _ {\ text {max}} \ over S _ {\ text {max, isotrópico}}}}$

• O ganho de dipolo é a razão entre a densidade de potência recebida da antena na direção de sua radiação máxima e a densidade de potência recebida de uma antena dipolo de meia onda sem perdas na direção de sua radiação máxima${\ displaystyle S _ {\ text {max, dipolo}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {G} _ {\ text {d}} = {S _ {\ text {max}} \ over S _ {\ text {max, dipolo}}}}$

O ganho de decibéis em relação a um dipolo (dBd) é dado por

${\ displaystyle \ mathrm {G} {\ text {(dBd)}} = 10 \ log {S _ {\ text {max}} \ over S _ {\ text {max, dipolo}}}}$

Em contraste com uma antena isotrópica, o dipolo tem um padrão de radiação "em forma de rosca", sua potência irradiada é máxima nas direções perpendiculares à antena, diminuindo para zero no eixo da antena. Como a radiação do dipolo está concentrada nas direções horizontais, o ganho de um dipolo de meia onda é maior do que o de uma antena isotrópica. O ganho isotrópico de um dipolo de meia onda é 1,64, ou em decibéis 10 log 1,64 = 2,15 dBi, então

${\ displaystyle G _ {\ text {i}} = 1,64G _ {\ text {d}}}$

Em decibéis

${\ displaystyle G {\ text {(dBi)}} = G {\ text {(dBd)}} + 2,15}$

As duas medidas EIRP e ERP são baseadas nas duas antenas padrão diferentes acima:

• EIRP é definido como a entrada de energia RMS em watts necessária para uma antena isotrópica sem perdas para fornecer a mesma densidade de energia máxima longe da antena que o transmissor real. É igual à entrada de energia para a antena do transmissor multiplicada pelo ganho isotrópico da antena

${\ displaystyle \ mathrm {EIRP} = G _ {\ text {i}} P _ {\ text {in}}}$

O ERP e o EIRP também são freqüentemente expressos em decibéis (dB). A potência de entrada em decibéis é geralmente calculada com comparação com um nível de referência de um watt (W): . Uma vez que a multiplicação de dois fatores é equivalente à adição de seus valores de decibéis ${\ displaystyle P _ {\ text {in}} \ mathrm {(dBW)} = 10 \ log P _ {\ text {in}}}$

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

• ERP é definido como a entrada de energia RMS em watts necessária para uma antena dipolo de meia onda sem perdas para fornecer a mesma densidade de energia máxima longe da antena que o transmissor real. É igual à entrada de energia para a antena do transmissor multiplicada pelo ganho da antena em relação a um dipolo de meia onda

${\ displaystyle \ mathrm {ERP} = G _ {\ text {d}} P _ {\ text {in}}}$

Em decibéis

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

Uma vez que as duas definições de ganho diferem apenas por um fator constante, o ERP e o EIRP também

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

Em decibéis

${\ displaystyle \ mathrm {EIRP (dBW)} = \ mathrm {ERP} {\ text {(dBW)}} + 2,15}$

Relação com a potência de saída do transmissor

O transmissor é geralmente conectado à antena por meio de uma linha de transmissão . Uma vez que a linha de transmissão pode ter perdas significativas , a potência aplicada à antena é geralmente menor do que a potência de saída do transmissor . A relação de ERP e EIRP com a potência de saída do transmissor é ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle P _ {\ text {TX}}}$

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

${\ displaystyle \ mathrm {ERP (dBW)} = P _ {\ text {TX}} \ mathrm {(dBW)} -L \ mathrm {(dB)} + G {\ text {(dBi)}} - 2,15}$

As perdas na própria antena são incluídas no ganho.

Relação com a força do sinal

Se o caminho do sinal estiver no espaço livre ( propagação da linha de visão sem multicaminho ), a intensidade do sinal ( densidade do fluxo de potência em watts por metro quadrado) do sinal de rádio no eixo do lóbulo principal a qualquer distância particular da antena pode ser calculado a partir do EIRP ou ERP. Uma vez que uma antena isotrópica irradia densidade de fluxo de energia igual sobre uma esfera centrada na antena, e a área de uma esfera com raio é então ${\ displaystyle S}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle A = 4 \ pi r ^ {2}}$

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

Desde , ${\ displaystyle \ mathrm {EIRP} = \ mathrm {ERP} * 1,64}$

${\ displaystyle S (r) = {\ mathrm {0,41 * ERP} \ over \ pi r ^ {2}}}$

No entanto, se as ondas de rádio viajam por ondas terrestres, como é típico para transmissão de ondas médias ou longas, ondas do céu ou caminhos indiretos desempenham um papel na transmissão, as ondas sofrerão atenuação adicional que depende do terreno entre as antenas, portanto, essas fórmulas não são válidas .

Dipolo vs. radiadores isotrópicos

Como o ERP é calculado como o ganho da antena (em uma determinada direção) em comparação com a diretividade máxima de uma antena dipolo de meia onda , ele cria uma antena dipolo efetiva virtual matematicamente orientada na direção do receptor. Em outras palavras, um receptor nocional em uma determinada direção do transmissor receberia a mesma potência se a fonte fosse substituída por um dipolo ideal orientado com diretividade máxima e polarização combinada para o receptor e com uma potência de entrada da antena igual ao ERP. O receptor não seria capaz de determinar a diferença. A diretividade máxima de um dipolo de meia onda ideal é uma constante, ou seja, 0 dBd = 2,15 dBi. Portanto, o ERP é sempre 2,15 dB menor que o EIRP. A antena dipolo ideal poderia ser substituída por um radiador isotrópico (um dispositivo puramente matemático que não pode existir no mundo real), e o receptor não pode saber a diferença, desde que a potência de entrada seja aumentada em 2,15 dB.

Infelizmente, a distinção entre dBd e dBi muitas vezes não é declarada e o leitor às vezes é forçado a inferir qual foi usado. Por exemplo, uma antena Yagi-Uda é construída a partir de vários dipolos dispostos em intervalos precisos para criar melhor foco de energia (diretividade) do que um dipolo simples. Uma vez que é construída a partir de dipolos, frequentemente o ganho da antena é expresso em dBd, mas listado apenas como dB. Obviamente, essa ambigüidade é indesejável no que diz respeito às especificações de engenharia. A diretividade máxima de uma antena Yagi-Uda é 8,77 dBd = 10,92 dBi. Seu ganho necessariamente deve ser menor que este pelo fator η, que deve ser negativo em unidades de dB. Nem o ERP nem o EIRP podem ser calculados sem o conhecimento da potência aceita pela antena, ou seja, não é correto usar unidades de dBd ou dBi com ERP e EIRP. Vamos supor um transmissor de 100 watts (20 dBW) com perdas de 6 dB antes da antena. ERP <22,77dBW e EIRP <24,92dBW, ambos menos que o ideal por η em dB. Assumindo que o receptor está no primeiro lóbulo lateral da antena transmissora, e cada valor é reduzido em 7,2 dB, que é a diminuição na diretividade do lóbulo principal para o lateral de um Yagi-Uda. Portanto, em qualquer lugar ao longo da direção do lóbulo lateral deste transmissor, um receptor cego não poderia dizer a diferença se um Yagi-Uda foi substituído por um dipolo ideal (orientado para o receptor) ou um radiador isotrópico com potência de entrada da antena aumentada em 1,57 dB.

Polarização

A polarização não foi levada em consideração até o momento, mas deve ser devidamente esclarecida. Ao considerar o radiador dipolo anteriormente, assumimos que ele estava perfeitamente alinhado com o receptor. Agora suponha, no entanto, que a antena receptora seja circularmente polarizada e haverá uma perda de polarização mínima de 3 dB, independentemente da orientação da antena. Se o receptor também for um dipolo, é possível alinhá-lo ortogonalmente ao transmissor de forma que teoricamente energia zero seja recebida. No entanto, essa perda de polarização não é contabilizada no cálculo do ERP ou EIRP. Em vez disso, o projetista do sistema receptor deve contabilizar essa perda conforme apropriado. Por exemplo, uma torre de telefone celular tem uma polarização linear fixa, mas o monofone móvel deve funcionar bem em qualquer orientação arbitrária. Portanto, o design de um fone pode fornecer recepção de polarização dupla no aparelho de modo que a energia capturada seja maximizada independentemente da orientação, ou o projetista pode usar uma antena polarizada circularmente e contabilizar os 3 dB extras de perda com a amplificação.

Exemplo FM

Antena dipolo cruzada de quatro baias de uma estação de transmissão FM.

Por exemplo, uma estação de rádio FM que anuncia que tem 100.000 watts de potência, na verdade tem 100.000 watts ERP, e não um transmissor real de 100.000 watts. A saída de potência do transmissor (TPO) de tal estação normalmente pode ser de 10.000 a 20.000 watts, com um fator de ganho de 5 a 10 (5 × a 10 × ou 7 a 10 dB ). Na maioria dos projetos de antenas, o ganho é obtido principalmente pela concentração de energia em direção ao plano horizontal e suprimindo-a nos ângulos para cima e para baixo, por meio do uso de matrizes em fase de elementos de antena. A distribuição de potência versus ângulo de elevação é conhecida como padrão vertical. Quando uma antena também é direcional horizontalmente, o ganho e o ERP variam com o azimute ( direção da bússola ). Em vez da potência média em todas as direções, é a potência aparente na direção do lóbulo principal da antena que é citada como o ERP de uma estação (esta declaração é apenas outra maneira de declarar a definição de ERP). Isso é particularmente aplicável aos enormes ERPs relatados para estações de transmissão de ondas curtas , que usam larguras de feixe muito estreitas para transmitir seus sinais através de continentes e oceanos.

Uso regulatório dos Estados Unidos

O ERP para rádio FM nos Estados Unidos é sempre relativo a uma antena dipolo de meia onda de referência teórica . (Ou seja, ao calcular o ERP, a abordagem mais direta é trabalhar com o ganho da antena em dBd). Para lidar com a polarização da antena, a Federal Communications Commission (FCC) lista o ERP nas medições horizontal e vertical para FM e TV. Horizontal é o padrão para ambos, mas se o ERP vertical for maior, ele será usado.

O ERP máximo para transmissão US FM é geralmente 100.000 watts (FM Zona II) ou 50.000 watts (nas Zonas I e IA geralmente mais densamente povoadas), embora as restrições exatas variem dependendo da classe de licença e da altura da antena acima do terreno médio ( HAAT). Algumas estações foram adquiridas ou, muito raramente, receberam uma isenção e podem exceder as restrições normais.

Problemas de banda de microondas

Para a maioria dos sistemas de microondas , uma antena isotrópica completamente não direcional (uma que irradia igualmente e perfeitamente bem em todas as direções - uma impossibilidade física) é usada como uma antena de referência, e então se fala de EIRP (potência isotrópica irradiada efetiva ) em vez de ERP . Isso inclui transponders de satélite , radar e outros sistemas que usam antenas e refletores de micro-ondas em vez de antenas tipo dipolo.

Problemas de baixa frequência

No caso de estações de ondas médias (AM) nos Estados Unidos , os limites de potência são definidos para a saída de potência real do transmissor e o ERP não é usado em cálculos normais. Antenas omnidirecionais usadas por várias estações irradiam o sinal igualmente em todas as direções. Matrizes direcionais são usadas para proteger estações de canais adjacentes ou co, geralmente à noite, mas algumas funcionam direcionalmente 24 horas. Embora a eficiência da antena e a condutividade do solo sejam levadas em consideração ao projetar tal matriz, o banco de dados da FCC mostra a saída de potência do transmissor da estação, não o ERP.

Termos relacionados

De acordo com a Institution of Electrical Engineers (UK), ERP é frequentemente usado como um termo de referência geral para energia irradiada, mas estritamente falando deve ser usado apenas quando a antena é um dipolo de meia onda e é usado quando se refere à transmissão FM.

EMRP

Potência irradiada monopolo efetiva ( EMRP ) pode ser usada na Europa, particularmente em relação a antenas de transmissão de ondas médias . É o mesmo que ERP, exceto que uma antena vertical curta (ou seja, um monopolo curto ) é usada como a antena de referência em vez de um dipolo de meia onda .

CMF

Força cimomotiva ( CMF ) é um termo alternativo usado para expressar a intensidade da radiação em volts , particularmente nas frequências mais baixas. É usado na legislação australiana que regula os serviços de radiodifusão AM, que o descreve como: "para um transmissor, [isso] significa o produto, expresso em volts, de: (a) a intensidade do campo elétrico em um determinado ponto no espaço, devido a a operação do transmissor; e (b) a distância desse ponto da antena do transmissor ".

Refere-se apenas à transmissão AM e expressa a intensidade do campo em " microvolts por metro a uma distância de 1 quilômetro da antena transmissora".

HAAT

A altura acima da média do terreno para VHF e frequências mais altas é extremamente importante quando se considera o ERP, pois a cobertura do sinal ( faixa de transmissão ) produzida por um determinado ERP aumenta dramaticamente com a altura da antena. Por causa disso, é possível que uma estação de apenas algumas centenas de watts ERP cubra mais área do que uma estação de alguns milhares de watts ERP, se seu sinal viajar acima de obstruções no solo.

Veja também

• Potência nominal (transmissão de rádio)
• Lista de classes de emissoras

Referências