Potencia radiada efectiva

Definición de potencia de radiofrecuencia direccional.

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

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 la 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 ). ERP mide la combinación de la potencia emitida por el transmisor y la capacidad de la antena para dirigir esa potencia en una dirección determinada. 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 emisora ​​que experimentan los oyentes en su zona de recepción.

Un parámetro alternativo que mide lo mismo es la potencia radiada isotrópica efectiva ( PIRE ). La potencia radiada isotrópica efectiva es la potencia hipotética que tendría que radiar 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 EIRP y ERP es que ERP compara la antena real con una antena dipolo de media onda, mientras que EIRP 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 ERP y EIRP se expresan en vatios, su relación es

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dB)} =\mathrm {ERP(dB)} +2.15}$$

Definiciones

La potencia radiada efectiva y 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 la 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 (cuánta de esa potencia se irradia en la dirección de máxima intensidad). Este 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 irradiada por una antena estándar. Por ejemplo, un transmisor de 1.000 vatios que alimente una antena con una ganancia de 4 (6 dBi) tendrá la misma intensidad de señal en la dirección de su lóbulo principal y, por tanto, el mismo ERP y EIRP, que un transmisor de 4.000 vatios que alimente una antena con una ganancia de 4 (6 dBi). antena con una ganancia de 1 (0 dBi). Entonces, 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, ERP y EIRP no miden la potencia del transmisor ni la potencia total radiada por la antena, son solo una medida de la intensidad de la señal a lo largo del lóbulo principal. No dan información sobre la potencia irradiada en otras direcciones ni sobre la potencia total. ERP y EIRP son siempre mayores que la potencia total real radiada por la antena.

La diferencia entre ERP y EIRP es que la ganancia de la 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 isotrópica 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 hipotética antena isotrópica sin pérdidas , que irradia igual potencia en todas las direcciones ${\displaystyle S_{\text{max}}}$ ${\displaystyle S_{\text{max,iso}}}$
  $${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$
  La ganancia suele expresarse en unidades logarítmicas de decibelios (dB). La ganancia en decibelios relativa a una antena isotrópica (dBi) viene dada por
  $${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBi)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$
• La ganancia dipolo es la relación entre la densidad de potencia recibida de la antena en la dirección de su máxima radiación y la densidad de potencia recibida de una antena dipolo de media onda sin pérdidas en la dirección de su máxima radiación. ${\displaystyle S_{\text{max,dipole}}}$
  $${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$
  La ganancia en decibelios relativa a un dipolo (dBd) viene dada por
  $${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$

A diferencia de una antena isotrópica, el dipolo tiene un patrón de radiación en forma de "rosquilla", su potencia radiada es máxima en direcciones perpendiculares a la antena y disminuye a cero en el eje de la antena. Dado que la radiación del dipolo se concentra en direcciones horizontales, la ganancia de un dipolo de media onda es mayor que la de una antena isotrópica. La ganancia isotrópica de un dipolo de media onda es 1,64, o en decibelios 10 log 1,64 = 2,15 dBi, por lo que

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

$${\displaystyle G{\text{(dBi)}}=G{\text{(dBd)}}+2.15}$$

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

• La PIRE se define como la entrada de potencia RMS en vatios necesaria para que una antena isotrópica 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 isotrópica de la antena.
  $${\displaystyle \mathrm {EIRP} =G_{\text{i}}P_{\text{in}}}$$
  El ERP y el EIRP también suelen expresarse en decibeles (dB). La potencia de entrada en decibelios generalmente se calcula comparándola con un nivel de referencia de un vatio (W): . Dado que la multiplicación de dos factores equivale a la suma de sus valores en decibelios ${\displaystyle P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}}$
  $${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$
• ERP se define como la entrada de potencia RMS en vatios necesaria 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.
  $${\displaystyle \mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}}$$
  En decibeles
  $${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$

Dado que las dos definiciones de ganancia solo difieren en un factor constante, también lo hacen ERP y EIRP.

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$

$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBW)}}+2.15}$$

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 de ERP y EIRP con la potencia de salida del transmisor es ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle P_{\text{TX}}}$

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

$${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =P_{\text{TX}}\mathrm {(dBW)} -L\mathrm {(dB)} +G{\text{(dBi)}}-2.15}$$

Relación con la intensidad de la señal

Si la ruta de la señal está en el espacio libre ( propagación con 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 puede ser calculado a partir de la PIRE o ERP. Dado que una antena isotrópica irradia igual densidad de flujo de potencia sobre una esfera centrada en la antena, el área de una esfera con radio es entonces ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle A=4\pi r^{2}}$

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

${\displaystyle \mathrm {EIRP} =\mathrm {ERP} \times 1.64}$

$${\displaystyle S(r)={\mathrm {0.41\times ERP} \over \pi r^{2}}}$$

ondas terrestreslas ondas celestes

Radiadores dipolo versus radiadores isotrópicos

Debido a que ERP se calcula como la ganancia de la antena (en una dirección determinada) 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 hipotético en una dirección determinada desde el transmisor recibiría la misma potencia si la fuente fuera reemplazada por un dipolo ideal orientado con máxima directividad y polarización adaptada hacia el receptor y con una potencia de entrada de antena igual al ERP. El receptor no podría determinar una diferencia. La directividad máxima de un dipolo ideal de media onda es una constante, es decir, 0 dBd = 2,15 dBi. Por lo tanto, el ERP es siempre 2,15 dB menor que el EIRP. La antena dipolo ideal podría ser reemplazada por un radiador isotrópico (un dispositivo puramente matemático que no puede existir en el mundo real), y el receptor no puede notar la diferencia mientras la potencia de entrada aumente en 2,15 dB.

La distinción entre dBd y dBi a menudo no se menciona 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 simple dipolo. Dado que está construida a partir de dipolos, a menudo la ganancia de su antena se expresa en dBd, pero se indica 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 dBd = 10,92 dBi. Su ganancia necesariamente debe ser menor que ésta 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 dBd o dBi con ERP y EIRP. Supongamos un transmisor de 100 vatios (20 dBW) con pérdidas de 6 dB antes de la antena. ERP < 22,77 dBW y EIRP < 24,92 dBW, ambos menos que ideales por η en dB. Suponiendo que el receptor está en el primer lóbulo lateral de la antena transmisora, cada valor se reduce aún más en 7,2 dB, que es la disminución de la directividad desde el lóbulo principal al lateral de un Yagi-Uda. Por lo tanto, en cualquier lugar a lo largo de la dirección del lóbulo lateral de este transmisor, un receptor ciego no podría notar la diferencia si un Yagi-Uda fuera reemplazado por un dipolo ideal (orientado hacia el receptor) o un radiador isotrópico con una potencia de entrada de antena aumentada en 1,57. dB. ^[5]

Polarización

Hasta ahora no se ha tenido en cuenta la polarización, pero es necesario aclararla adecuadamente. Al considerar el radiador dipolo anteriormente supusimos que estaba perfectamente alineado con el receptor. Sin embargo, supongamos ahora que la antena receptora está polarizada circularmente y que 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. Más bien, 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, el diseño de un teléfono podría proporcionar una recepción de polarización dual en el teléfono para que la energía capturada se maximice independientemente de la orientación, o el diseñador podría usar una antena con polarización circular y tener en cuenta los 3 dB adicionales de pérdida con amplificación.

Ejemplo de FM

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

Por ejemplo, una estación de radio FM que anuncia que tiene 100.000 vatios de potencia en realidad tiene un ERP de 100.000 vatios, y no un transmisor real de 100.000 vatios. La potencia de salida del transmisor (TPO) de una estación de este tipo suele 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 obtiene principalmente concentrando la potencia hacia el plano horizontal y suprimiéndola en ángulos ascendentes y descendentes, mediante el uso de conjuntos en fase de elementos de antena. La distribución de potencia versus el ángulo de elevación se conoce como patrón vertical . Cuando una antena también tiene dirección horizontal, la ganancia y el 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 solo otra forma de expresar la definición de ERP). Esto es particularmente aplicable a los enormes ERP reportados para estaciones de radiodifusión de onda corta , que utilizan anchos de haz muy estrechos para transmitir sus señales a través de continentes y océanos.

Uso regulatorio de Estados Unidos

El ERP para radio FM en los Estados Unidos siempre es relativo a 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 dBd). Para abordar la polarización de la antena, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) incluye ERP en las mediciones horizontales y verticales para FM y TV. Horizontal es el estándar para ambos, pero si el ERP vertical es más grande, se utilizará en su lugar.

El ERP máximo para la transmisión de FM en EE. UU. suele ser de 100.000 vatios (FM Zona II) o 50.000 vatios (en las zonas I e 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 recibido derechos adquiridos o, muy raramente, se les ha otorgado una exención y pueden exceder las restricciones normales.

Problemas con la banda de microondas

Para la mayoría de los sistemas de microondas , se utiliza como antena de referencia una antena isotrópica completamente no direccional (una que irradia igual y perfectamente bien en todas las direcciones, algo físicamente imposible), y luego se habla de EIRP (potencia radiada isotrópica efectiva ) 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 estilo dipolo.

Problemas de menor frecuencia

En el caso de las estaciones de onda media (AM) en los Estados Unidos , los límites de potencia se establecen según la potencia de salida real del transmisor y el ERP no se utiliza en los cálculos normales. Las antenas omnidireccionales utilizadas por varias estaciones irradian la señal por igual en todas las direcciones horizontales. Los conjuntos direccionales se utilizan para proteger estaciones de canales adyacentes o co-, generalmente durante la noche, pero algunas funcionan direccionalmente de forma continua. Si bien la eficiencia de la antena y la conductividad del suelo se tienen en cuenta al diseñar dicho conjunto, la base de datos de la FCC muestra la potencia de salida del transmisor de la estación, no el ERP.

Términos relacionados

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

PREM

En Europa se puede utilizar la potencia radiada monopolar efectiva ( EMRP ), especialmente en relación con antenas de radiodifusión de onda media . Esto es lo mismo que 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

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 lo describe como: "para un transmisor, [significa] el producto, expresado en voltios, de: (a) la intensidad del campo eléctrico en un punto dado en el espacio , debido al funcionamiento del transmisor; y b) la distancia de ese punto a la antena del transmisor". ^[9]

Se refiere únicamente a la radiodifusión AM y expresa la intensidad del 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 el ERP, ya que la cobertura de la señal ( rango de transmisión ) producida por un ERP determinado aumenta dramáticamente con la altura de la antena. Debido a esto, es posible que una estación de sólo unos pocos cientos de vatios ERP cubra más área que una estación de unos pocos miles de vatios ERP, si su señal viaja por encima de las obstrucciones en el suelo.

Ver también

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

Referencias

1. Jones, Graham A.; Capa, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores, 10.ª edición. Elsevier. pag. 1632.ISBN​ 978-1136034107.
2. Huang, Yi; Boyle, Kevin (2008). Antenas: de la teoría a la práctica. John Wiley e hijos. págs. 117-118. ISBN 978-0470772928.
3. Seybold, John S. (2005). Introducción a la propagación de RF. John Wiley e hijos. pag. 292.ISBN​ 0471743682.
4. Weik, Martin H. (2012). Diccionario estándar de comunicaciones. Springer Science and Business Media. pag. 327.ISBN​ 978-1461566724.
5. Cheng, David K. (1992). Electromagnético de campo y ondas, 2ª ed . Addison-Wesley. págs. 648–650.
6. 47 CFR 73.211
7. Barclay, Les, ed. (2003). Propagación de Ondas de Radio. Volumen 2 de Electromagnética y Radar, Biblioteca Digital IET. Institución de Ingenieros Eléctricos (colaborador). Londres: Institución de Ingeniería y Tecnología. págs. 13-14. ISBN 978-0-85296-102-5. Consultado el 14 de septiembre de 2020 .
8. "3MTR puede obtener un aumento de potencia". radioinformación . 24 de noviembre de 2011 . Consultado el 14 de septiembre de 2020 .
9. "Directrices de servicios de radiodifusión (planificación técnica) de 2017". Registro Federal de Legislación . Gobierno de Australia. 28 de septiembre de 2017 . Consultado el 14 de septiembre de 2020 . El texto se copió de esta fuente, que está disponible bajo una licencia Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).