Potencia radiada efectiva

Definición de potencia de radiofrecuencia direccional

Ilustración de la definición de potencia isótropa radiada efectiva (EIRP). Los ejes tienen unidades de intensidad de señal en decibeles. es el patrón de radiación de un transmisor dado que acciona una antena direccional , que emite un haz de ondas de radio a lo largo del eje z. Irradia una intensidad de señal de campo lejano de en su dirección de radiación máxima ( lóbulo principal ) a lo largo del eje z. La esfera verde es el patrón de radiación de una antena isótropa ideal que irradia la misma intensidad de señal máxima que la antena directiva. La potencia del transmisor que tendría que aplicarse a la antena isótropa para radiar esta cantidad de potencia es la EIRP. ${\displaystyle R_{\mathsf {a}}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle R_{\mathsf {iso}}}$

La potencia radiada efectiva ( ERP ), sinónimo de potencia radiada equivalente , es una definición estandarizada del IEEE de potencia de radiofrecuencia (RF) direccional, como la emitida por un transmisor de radio . Es la potencia total en vatios que tendría que ser radiada por una antena dipolo de media onda para dar la misma intensidad de radiación (intensidad de señal o densidad de flujo de potencia en vatios por metro cuadrado) que la antena fuente real en un receptor distante ubicado en la dirección del haz más fuerte de la antena ( lóbulo principal ). La ERP mide la combinación de la potencia emitida por el transmisor y la capacidad de la antena para dirigir esa potencia en una dirección dada. Es igual a la potencia de entrada a la antena multiplicada por la ganancia de la antena. Se utiliza en electrónica y telecomunicaciones , particularmente en radiodifusión para cuantificar la potencia aparente de una estación de radiodifusión experimentada por los oyentes en su área de recepción.

Un parámetro alternativo que mide lo mismo es la potencia isotrópica radiada efectiva ( PIRE ). La potencia isotrópica radiada efectiva es la potencia hipotética que tendría que ser radiada por una antena isotrópica para dar la misma intensidad de señal ("equivalente") que la antena fuente real en la dirección del haz más fuerte de la antena. La diferencia entre PIRE y PRE es que la PRE compara la antena real con una antena dipolo de media onda, mientras que la PIRE la compara con una antena isotrópica teórica. Dado que una antena dipolo de media onda tiene una ganancia de 1,64 (o 2,15 dB ) en comparación con un radiador isotrópico, si la PIRE y la PIRE se expresan en vatios, su relación es Si se expresan en decibelios $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(W)}}=1.64\times {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(W)}}\ }$$ $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathrm {(dB)} }={\mathsf {ERP}}_{\mathrm {(dB)} }+2.15\ {\mathsf {dB}}\ }$$

Definiciones

Tanto la potencia radiada efectiva como la potencia radiada isotrópica efectiva miden la densidad de potencia que un transmisor de radio y una antena (u otra fuente de ondas electromagnéticas) irradian en una dirección específica: en la dirección de máxima intensidad de señal (el " lóbulo principal ") de su patrón de radiación. ^{[1] [2] [3] [4]} Esta potencia aparente depende de dos factores: la potencia total de salida y el patrón de radiación de la antena: qué parte de esa potencia se irradia en la dirección de máxima intensidad. El último factor se cuantifica mediante la ganancia de la antena , que es la relación entre la intensidad de la señal radiada por una antena en su dirección de máxima radiación y la radiada por una antena estándar. Por ejemplo, un transmisor de 1000 vatios que alimenta una antena con una ganancia de 4× (equivalente a 6 dBi) tendrá la misma intensidad de señal en la dirección de su lóbulo principal y, por lo tanto, la misma ERP y EIRP, que un transmisor de 4000 vatios que alimenta una antena con una ganancia de 1× (equivalente a 0 dBi). Por lo tanto, ERP y EIRP son medidas de potencia radiada que pueden comparar diferentes combinaciones de transmisores y antenas en igualdad de condiciones.

A pesar de los nombres, la ERP y la EIRP no miden la potencia del transmisor ni la potencia total radiada por la antena, sino que son simplemente una medida de la intensidad de la señal a lo largo del lóbulo principal. No brindan información sobre la potencia radiada en otras direcciones ni sobre la potencia total. La ERP y la EIRP son siempre mayores que la potencia total real radiada por la antena.

La diferencia entre ERP y EIRP es que la ganancia de antena se ha medido tradicionalmente en dos unidades diferentes, comparando la antena con dos antenas estándar diferentes; una antena isotrópica y una antena dipolo de media onda :

• La ganancia isótropa es la relación entre la densidad de potencia (intensidad de la señal en vatios por metro cuadrado) recibida en un punto alejado de la antena (en el campo lejano ) en la dirección de su radiación máxima (lóbulo principal), y la potencia recibida en el mismo punto desde una antena isótropa hipotética sin pérdidas , que irradia la misma potencia en todas las direcciones. La ganancia se expresa a menudo en unidades logarítmicas de decibelios (dB). La ganancia en decibelios relativa a una antena isótropa (dB _i ) se da por ${\displaystyle \ S_{\mathsf {max}}\ }$ ${\displaystyle \ S_{\mathsf {max,iso}}\ }$ $${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {i}}={\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,iso}}\ }}\ }$$

$${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {(dB_{i})}}=10\ \log _{10}\left({\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,iso}}\ }}\right)\ }$$

• La ganancia dipolar es la relación entre la densidad de potencia recibida de la antena en la dirección de su radiación máxima y la densidad de potencia recibida de una antena dipolo de media onda sin pérdidas en la dirección de su radiación máxima. La ganancia en decibelios relativa a un dipolo (dB _d ) viene dada por ${\displaystyle S_{\mathsf {max,dipole}}}$ $${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {d}}={\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,dipole}}\ }}\ }$$ $${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {(dB_{d})}}=10\ \log _{10}\left({\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,dipole}}\ }}\right)\ }$$

A diferencia de una antena isótropa, el dipolo tiene un patrón de radiación en forma de "rosquilla", su potencia radiada es máxima en direcciones perpendiculares a la antena, disminuyendo hasta cero en el eje de la antena. Como la radiación del dipolo se concentra en direcciones horizontales, la ganancia de un dipolo de media onda es mayor que la de una antena isótropa. La ganancia isótropa de un dipolo de media onda es 1,64, o en decibelios, es decir, En decibelios ${\displaystyle \ 10\ \log _{10}(1.64)=2.15\ {\mathsf {dB}}\ ,}$ $${\displaystyle \ G_{\mathsf {i}}=1.64\ G_{\mathsf {d}}~.}$$ $${\displaystyle \ G_{\mathsf {(dB_{i})}}=G_{\mathsf {(dB_{d})}}+2.15\ {\mathsf {dB}}~.}$$

Las dos medidas EIRP y ERP se basan en las dos antenas estándar diferentes mencionadas anteriormente: ^{[1] [3] [2] [4]}

• La PIRE se define como la potencia de entrada RMS en vatios necesaria para una antena isótropa sin pérdidas para proporcionar la misma densidad de potencia máxima lejos de la antena que el transmisor real. Es igual a la potencia de entrada a la antena del transmisor multiplicada por la ganancia de la antena isótropa. La PIRE y la PIRE también se expresan a menudo en decibelios (dB). La potencia de entrada en decibelios se calcula normalmente en comparación con un nivel de referencia de un vatio (W): Dado que la multiplicación de dos factores es equivalente a la suma de sus valores en decibelios $${\displaystyle \ \mathrm {EIRP} =G_{\mathsf {i}}\ P_{\mathsf {in}}~.}$$ ${\displaystyle \ P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}=10\ \log _{10}P_{\mathsf {in}}~.}$ $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=G_{\mathsf {(dB_{i})}}+P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}\ }$$

• El ERP se define como la potencia de entrada RMS en vatios que se requiere para que una antena dipolo de media onda sin pérdidas proporcione la misma densidad de potencia máxima lejos de la antena que el transmisor real. Es igual a la potencia de entrada a la antena del transmisor multiplicada por la ganancia de la antena relativa a un dipolo de media onda: en decibeles $${\displaystyle \ {\mathsf {ERP}}=G_{\mathsf {d}}\ P_{\mathsf {in}}~.}$$ $${\displaystyle \ {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=G_{\mathsf {(dB_{d})}}+P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}~.}$$

Dado que las dos definiciones de ganancia solo difieren en un factor constante, también lo hacen ERP y EIRP en decibeles. $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(W)}}=1.64\times {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(W)}}~.}$$ $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}={\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}+2.15\ {\mathsf {dB}}~.}$$

Relación con la potencia de salida del transmisor

El transmisor suele estar conectado a la antena a través de una línea de transmisión y una red de adaptación de impedancia . Dado que estos componentes pueden tener pérdidas significativas, la potencia aplicada a la antena suele ser menor que la potencia de salida del transmisor. La relación entre ERP y EIRP y la potencia de salida del transmisor es Las pérdidas en la propia antena se incluyen en la ganancia. ${\displaystyle \ L\ ,}$ ${\displaystyle \ P_{\mathsf {TX}}~.}$ $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=P_{{\mathsf {TX}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}-L_{\mathsf {(dB)}}+G_{\mathsf {(dB_{i})}}\ ,}$$ $${\displaystyle \ {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=P_{{\mathsf {TX}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}-L_{\mathsf {(dB)}}+G_{\mathsf {(dB_{i})}}-2.15\ {\mathsf {dB}}~.}$$

Relación con la intensidad de la señal

Si la trayectoria de la señal se encuentra en el espacio libre ( propagación en línea de visión sin trayectoria múltiple ), la intensidad de la señal ( densidad de flujo de potencia en vatios por metro cuadrado) de la señal de radio en el eje del lóbulo principal a cualquier distancia particular de la antena se puede calcular a partir de la EIRP o la ERP. Dado que una antena isótropa irradia la misma densidad de flujo de potencia sobre una esfera centrada en la antena, y el área de una esfera con radio es entonces Dado que después de dividir el factor de obtenemos: ${\displaystyle \ S\ }$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \ r\ }$ ${\displaystyle \ A=4\pi \ r^{2}\ }$ $${\displaystyle \ S(r)={\frac {\ {\mathsf {EIRP}}\ }{\ 4\pi \ r^{2}\ }}~.}$$ ${\displaystyle \ \mathrm {EIRP} =\mathrm {ERP} \times 1.64\ ,}$ $${\displaystyle \ S(r)={\frac {\ 0.410\times {\mathsf {ERP}}\ }{\ \pi \ r^{2}\ }}~.}$$ ${\displaystyle \ \pi \ ,}$ $${\displaystyle \ S(r)={\frac {\ 0.131\times {\mathsf {ERP}}\ }{\ r^{2}\ }}~.}$$

Sin embargo, si las ondas de radio viajan por ondas terrestres , como es típico en la transmisión de ondas medias o largas, ondas ionosféricas o caminos indirectos, las ondas sufrirán una atenuación adicional que depende del terreno entre las antenas, por lo que estas fórmulas no son válidas.

Radiadores dipolares vs. radiadores isotrópicos

Debido a que la ERP se calcula como la ganancia de antena (en una dirección dada) en comparación con la directividad máxima de una antena dipolo de media onda , crea una antena dipolo efectiva matemáticamente virtual orientada en la dirección del receptor. En otras palabras, un receptor nocional en una dirección dada desde el transmisor recibiría la misma potencia si la fuente se reemplazara con un dipolo ideal orientado con máxima directividad y polarización adaptada hacia el receptor y con una potencia de entrada de antena igual a la ERP. El receptor no podría determinar una diferencia. La directividad máxima de un dipolo de media onda ideal es una constante, es decir, 0 dB _d = 2,15 dB _i . Por lo tanto, la ERP es siempre 2,15 dB menor que la EIRP. La antena dipolo ideal podría reemplazarse además por un radiador isotrópico (un dispositivo puramente matemático que no puede existir en el mundo real), y el receptor no puede saber la diferencia mientras la potencia de entrada se incremente en 2,15 dB.

La distinción entre dB _d y dB _i a menudo no se enuncia y el lector a veces se ve obligado a inferir cuál se utilizó. Por ejemplo, una antena Yagi-Uda se construye a partir de varios dipolos dispuestos a intervalos precisos para crear una mayor concentración de energía (directividad) que un dipolo simple. Dado que se construye a partir de dipolos, a menudo su ganancia de antena se expresa en dB _d , pero se enumera solo como dB. Esta ambigüedad es indeseable con respecto a las especificaciones de ingeniería. La directividad máxima de una antena Yagi-Uda es 8,77 dB _d = 10,92 dB _i . Su ganancia necesariamente debe ser menor que esto por el factor η, que debe ser negativo en unidades de dB. Ni ERP ni EIRP se pueden calcular sin conocer la potencia aceptada por la antena, es decir, no es correcto utilizar unidades de dB _d o dB _i con ERP y EIRP. Supongamos un transmisor de 100 vatios (20 dB _W ) con pérdidas de 6 dB antes de la antena. ERP < 22,77 dB _W y EIRP < 24,92 dB _W , ambos menores que lo ideal en η en dB. Suponiendo que el receptor está en el primer lóbulo lateral de la antena transmisora, y cada valor se reduce aún más en 7,2 dB, que es la disminución de la directividad desde el lóbulo principal al lóbulo lateral de una Yagi-Uda. Por lo tanto, en cualquier lugar a lo largo de la dirección del lóbulo lateral desde este transmisor, un receptor ciego no podría notar la diferencia si una Yagi-Uda se reemplaza por un dipolo ideal (orientado hacia el receptor) o un radiador isótropo con potencia de entrada de antena aumentada en 1,57 dB. ^[5]

Polarización

Hasta ahora no se ha tenido en cuenta la polarización, pero debe aclararse adecuadamente. Al considerar el radiador dipolar anteriormente, asumimos que estaba perfectamente alineado con el receptor. Ahora, sin embargo, supongamos que la antena receptora está polarizada circularmente y habrá una pérdida de polarización mínima de 3 dB independientemente de la orientación de la antena. Si el receptor también es un dipolo, es posible alinearlo ortogonalmente al transmisor de modo que teóricamente se reciba energía cero. Sin embargo, esta pérdida de polarización no se tiene en cuenta en el cálculo de ERP o EIRP. En cambio, el diseñador del sistema receptor debe tener en cuenta esta pérdida según corresponda. Por ejemplo, una torre de telefonía celular tiene una polarización lineal fija, pero el teléfono móvil debe funcionar bien en cualquier orientación arbitraria. Por lo tanto, un diseño de teléfono podría proporcionar recepción de polarización dual en el teléfono de modo que la energía capturada se maximice independientemente de la orientación, o el diseñador podría usar una antena polarizada circularmente y tener en cuenta la pérdida adicional de 3 dB con la amplificación.

Ejemplo de FM

Antena de dipolo cruzado de cuatro bahías de una estación de radiodifusión FM

Por ejemplo, una estación de radio FM que anuncia que tiene 100.000 vatios de potencia en realidad tiene 100.000 vatios de ERP, y no un transmisor real de 100.000 vatios. La potencia de salida del transmisor (TPO) de una estación de este tipo normalmente puede ser de 10.000 a 20.000 vatios, con un factor de ganancia de 5 a 10× (5 a 10×, o 7 a 10  dB ). En la mayoría de los diseños de antena, la ganancia se logra principalmente concentrando la potencia hacia el plano horizontal y suprimiéndola en ángulos ascendentes y descendentes, mediante el uso de matrices en fase de elementos de antena. La distribución de la potencia en función del ángulo de elevación se conoce como patrón vertical . Cuando una antena también es direccional horizontalmente, la ganancia y la ERP variarán con el acimut ( dirección de la brújula ). En lugar de la potencia promedio en todas las direcciones, es la potencia aparente en la dirección del pico del lóbulo principal de la antena la que se cita como ERP de una estación (esta afirmación es simplemente otra forma de expresar la definición de ERP). Esto es particularmente aplicable a los enormes ERP informados para estaciones de transmisión de onda corta , que utilizan anchos de haz muy estrechos para hacer llegar sus señales a través de continentes y océanos.

Uso reglamentario en Estados Unidos

En Estados Unidos, el ERP de la radio FM siempre se calcula en relación con una antena dipolo de media onda de referencia teórica (es decir, al calcular el ERP, el enfoque más directo es trabajar con la ganancia de la antena en dB _d ). Para abordar la polarización de la antena, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) incluye el ERP tanto en las mediciones horizontales como verticales para FM y TV. El horizontal es el estándar para ambos, pero si el ERP vertical es mayor, se utilizará en su lugar.

El ERP máximo para la transmisión FM en EE. UU. suele ser de 100 000 vatios (Zona FM II) o 50 000 vatios (en las Zonas I y IA, generalmente más densamente pobladas), aunque las restricciones exactas varían según la clase de licencia y la altura de la antena sobre el terreno promedio (HAAT). ^[6] Algunas estaciones han sido eximidas o, muy raramente, se les ha otorgado una exención , y pueden exceder las restricciones normales.

Problemas con la banda de microondas

En la mayoría de los sistemas de microondas se utiliza como antena de referencia una antena isótropa completamente no direccional (que irradia de forma uniforme y perfecta en todas las direcciones, lo que es físicamente imposible), y en ese caso se habla de potencia isótropa radiada efectiva ( EIRP , por sus siglas en inglés ) en lugar de ERP. Esto incluye transpondedores de satélite , radares y otros sistemas que utilizan antenas parabólicas y reflectores de microondas en lugar de antenas de tipo dipolo.

Problemas de baja frecuencia

En el caso de las estaciones de onda media (AM) en los Estados Unidos , los límites de potencia se establecen en función de la potencia de salida real del transmisor y no se utiliza la ERP en los cálculos normales. Las antenas omnidireccionales que utilizan varias estaciones irradian la señal de manera uniforme en todas las direcciones horizontales. Los conjuntos direccionales se utilizan para proteger estaciones de canal co- o adyacentes, generalmente de noche, pero algunos funcionan de manera direccional de manera continua. Si bien la eficiencia de la antena y la conductividad del suelo se tienen en cuenta al diseñar un conjunto de este tipo, la base de datos de la FCC muestra la potencia de salida del transmisor de la estación, no la ERP.

Términos relacionados

Según la Institución de Ingenieros Eléctricos (Reino Unido), ERP se utiliza a menudo como un término de referencia general para la potencia radiada, pero estrictamente hablando solo debería utilizarse cuando la antena es un dipolo de media onda ^[7] y se utiliza cuando se hace referencia a la transmisión FM. ^[8]

PREM

La potencia radiada monopolar efectiva ( EMRP ) se puede utilizar en Europa, en particular en relación con las antenas de radiodifusión de onda media . Es lo mismo que la ERP, excepto que se utiliza una antena vertical corta (es decir, un monopolo corto) como antena de referencia en lugar de un dipolo de media onda . ^[7]

CMF

La fuerza cimomotriz ( CMF ) es un término alternativo utilizado para expresar la intensidad de la radiación en voltios , particularmente en las frecuencias más bajas. ^[7] Se utiliza en la legislación australiana que regula los servicios de radiodifusión AM, que la describe como: "para un transmisor, [significa] el producto, expresado en voltios, de:

(a) la intensidad del campo eléctrico en un punto dado del espacio, debido al funcionamiento del transmisor; y

(b) la distancia de ese punto desde la antena del transmisor”. ^[9]

Se relaciona únicamente con la radiodifusión AM y expresa la intensidad de campo en " microvoltios por metro a una distancia de 1 kilómetro de la antena transmisora". ^[8]

HAAT

La altura sobre el terreno promedio para VHF y frecuencias más altas es extremadamente importante al considerar la ERP, ya que la cobertura de la señal ( rango de transmisión ) producida por una ERP dada aumenta drásticamente con la altura de la antena. Debido a esto, es posible que una estación de solo unos pocos cientos de vatios de ERP cubra más área que una estación de unos pocos miles de vatios de ERP, si su señal viaja por encima de obstrucciones en el suelo.

Véase también

• Potencia nominal (radiodifusión)
• Lista de clases de estaciones de radiodifusión de América del Norte

Referencias

1. Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores, 10.ª edición. Elsevier. pág. 1632. ISBN 978-1136034107.
2. Huang, Yi; Boyle, Kevin (2008). Antenas: de la teoría a la práctica. John Wiley and Sons. págs. 117-118. ISBN 978-0470772928.
3. Seybold, John S. (2005). Introducción a la propagación de RF. John Wiley and Sons. pág. 292. ISBN 0471743682.
4. Weik, Martin H. (2012). Diccionario estándar de comunicaciones. Springer Science and Business Media. pág. 327. ISBN 978-1461566724.
5. Cheng, David K. (1992). Electromagnetismo de campo y onda (2.ª ed.). Addison-Wesley. págs. 648–650.
6. Título 47 del Código de Reglamentos Federales 73.211
7. Barclay, Les, ed. (2003). Propagación de ondas de radio. Electromagnetismo y radar, Biblioteca digital IET. Vol. 2. Institution of Electrical Engineers (colaborador). Londres: Institution of Engineering and Technology. págs. 13-14. ISBN 978-0-85296-102-5. Recuperado el 14 de septiembre de 2020 .
8. "3MTR podría recibir un aumento de potencia". radioinfo . 24 de noviembre de 2011 . Consultado el 14 de septiembre de 2020 .
9. "Directrices de planificación técnica de los servicios de radiodifusión de 2017". Registro Federal de Legislación . Gobierno australiano. 28 de septiembre de 2017 . Consultado el 14 de septiembre de 2020 . El texto fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia Atribución 4.0 Internacional (CC BY 4.0).