القدرة المشعة الفعالة

شكل توضيحي لتعريف القدرة المشعة المتماثلة الفعالة (EIRP).

R_{\ }text{a}

هو مخطط الإشعاع لجهاز إرسال معين يقود هوائي اتجاهي). يشع قوة إشارة للمجال البعيد

S

في اتجاهه للإشعاع الأقصى (القسم الرئيسي) على طول المحور z. الأخضر </ span>

R_{\ }text{iso}

هو نمط إشعاع نموذج مثالي هوائي متباين الخواص الذي يشع نفس قوة الإشارة القصوى كما يفعل هوائي التوجيه. قدرة الإرسال التي يجب تطبيقها على الهوائي المتماثل لتشع هذه القدرة الكبيرة هي القدرة المشعة المكافئة المتماثلة.

الطاقة المشعة الفعالة 'ERP' ،وهو المصطلح المرادف الطاقة المشعة المكافئة ، هو تعريف موحد لطاقة اتجاهية تردد الراديو (RF) حسب IEEE، مثل تلك التي تنبعث من المرسل اللاسلكي. إنه إجمالي الطاقة في الوات التي يجب أن تشع بواسطة هوائي ثنائي القطب نصف الموجة لإعطاء نفس شدة الإشعاع (قوة الإشارة أو كثافة تدفق القدرة بالواط لكل متر مربع) كمصدر فعلي في مستقبل بعيد يقع في اتجاه أقوى حزمة للهوائي (القسم الرئيسي). يقيس ERP توليفة القدرة المنبعثة من المرسل وقدرة الهوائي على توجيه تلك القدرة في اتجاه معين. وهي تساوي قدرة دخل الهوائي مضروبة في ربح الهوائي. يستخدم في الإلكترونيات و الاتصالات السلكية واللاسلكية ، ولا سيما في الإذاعة لتحديد القدرة الظاهرة لـ محطة إذاعة التي يقوم بتجربتها المستمعون في منطقة الاستقبال. البارامتر البديل الذي يقيس نفس الحالة هو القدرة المشعة الفعالة (أو المكافئة) EIRP '). القدرة المشعة الفعالة في الخواص هي القدرة الكلية التي يجب أن تشعها افتراضاً هوائي متماثل لإعطاء نفس قوة الإشارة كمصدر فعلي في اتجاه أقوى حزمة للهوائي. الفرق بين EIRP و ERP هو أن ERP يقارن الهوائي الفعلي بهوائي ثنائي القطب نصف الموجة ، بينما يقارن EIRP بهوائي متماثل نظرياً . نظرًا لأن الهوائي ثنائي القطب بنصف الموجة له ربح 1.64 ، أو 2.15 ديسيبل بالمقارنة مع المرسل المتماثل للأشعة ، إذا تم التعبير عن ERP و EIRP بالواط ، فإن العلاقة بينهما

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

إذا تم التعبير عنها بالديسيبل

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

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تعاريف

تقيس القدرة المشعة الفعالة والقدرة المشعة المتماثلة الفعالية مقدار القدرة "الظاهرة" التي يشعها المرسل الهوائي والراديو (أو مصدر آخر للموجات الكهرومغناطيسية) في اتجاه محدد: في اتجاه أقصى قوة إشارة (القسم الرئيسي ") من نمط الإشعاع.^[1]^[2]^[3]^[4] تعتمد هذه القدرة الظاهرية على عاملين: إجمالي خرج الطاقة و مخطط الإشعاع للهوائي - مقدار الطاقة التي تشعها في الاتجاه المطلوب. يتم تقدير كمية العامل الأخير بواسطة ربح الهوائي ، وهي نسبة قوة الإشارة التي يشعها الهوائي إلى ذلك المشع بهوائي قياسي. على سبيل المثال ، فإن جهاز إرسال بقوة 1000 واط يقوم بتغذية هوائي بربح 4 (6 ديسيبل) سيكون له نفس قوة الإشارة في اتجاه القسم الرئيسي ، وبالتالي نفس ERP و EIRP ، مثل جهاز إرسال بقوة 4000 واط هوائي بكسب 1 (0 ديسيبل). لذلك تعد ERP و EIRP مقاييس القدرة المشعة التي يمكنها مقارنة التوليفات المختلفة من المرسلات والهوائيات على قدم المساواة.

من المهم التأكيد على أنه على الرغم من الأسماء ، لا يقوم ERP و EIRP بقياس قدرة المرسل ، أو إجمالي القدرة المشعة بواسطة الهوائي ، فهي مجرد مقياس لقوة الإشارة على طول القسم الرئيسي. لا يتم تقديم أي معلومات حول القدرة المشعة في اتجاهات أخرى ، أو الطاقة الكلية.

يتمثل الفرق بين ERP و EIRP في أن ربح الهوائي قد تم قياسه تقليديًا في وحدتين مختلفتين ، مقارنة الهوائي باثنين من الهوائيات القياسية المختلفة ؛ هوائي , هوائي متماثل وهوائي نصف موجة ثنائي القطب :

الربح المتماثل هو نسبة كثافة القدرة $S_{\text{max}}$ (قوة الإشارة بالواط لكل متر مربع) المتلقاة عند نقطة بعيدة عن الهوائي (في المجال البعيد) في اتجاه الإشعاع الأقصى (القسم الرئيسي) ، إلى القدرة $S_{\text{max,isotropic}}$ المستلمة في نفس النقطة من ضياع نظير هوائي ، الذي يشع القدرة المتساوية في جميع الاتجاهات

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

:

يتم التعبير عن الربح غالبًا بوحدات لوغاريتمية من ديسيبل (dB). يتم الحصول على ربح الديسيبل بالنسبة إلى هوائي موحد الخواص (dBi) بواسطة

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

"كسب ثنائي القطب" هو نسبة كثافة القدرة المستقبلة من الهوائي في اتجاه أقصى إشعاع له إلى كثافة القدرة $S_{\text{max,dipole}}$ الواردة من ضياع هوائي ثنائي الموجة نصف في اتجاه الحد الأقصى للإشعاع

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

يتم الحصول على ربح الديسيبل بالنسبة إلى ثنائي القطب (dBd) بواسطة

\mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}

على عكس الهوائي المتماثل ، يكون للثنائي القطب مخطط إشعاع "على شكل دونات" ، وقدرته المشعة هي الحد الأقصى في الاتجاهات المتعامدة مع الهوائي ، وتنخفض إلى الصفر على محور الهوائي. نظرًا لأن إشعاع ثنائي القطب يتركز في اتجاهات أفقية ، فإن كسب ثنائي القطب نصف الموجة أكبر من الهوائي المتماثل . الكسب المتماثل لثنائي القطب نصف الموجة هو 1.64 ، أو بالديسيبل 10 log 1.64 = 2.15 dBi ، لذلك

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

في الديسيبل

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

يستند المقياسان EIRP و ERP إلى الهوائيين القياسيين المختلفين أعلاه:^[1]^[3]^[2]^[4]

يُعرَّف EIRP بأنه مدخلات قدرة RMS بالوحدات اللازمة لفقدان الهوائي المتماثل لإعطاء نفس الكثافة القصوى للقدرة بعيدًا عن الهوائي مثل المرسل الفعلي. وهو يساوي مدخلات الطاقة لهوائي المرسل مضروبة في ربح الهوائي المتماثل

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

:

غالباً ما يتم التعبير عن ERP و EIRP في ديسيبل (dB). عادة ما تُحسب قدرة الدخل بالديسيبل مقارنةً بمستوى مرجعي واحد  وات (W):  $P_{\text{in}}\mathrm {(dBw)} =10\log P_{\text{in}}$ . 
عند مضاعفة العاملين بما يعادل إضافة قيم ديسيبل الخاصة بهم

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

يُعرّف ERP بأنه دخل قدرة RMS بالواط المطلوب لهوائي نصف موجة ثنائي القطب لإعطاء نفس الكثافة القصوى للقدرة بعيدًا عن الهوائي مثل المرسل الفعلي. وهو يساوي مدخلات الطاقة لهوائي المرسل مضروبة في ربح الهوائي بالنسبة إلى ثنائي القطب نصف الموجة

\mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}

في الديسيبل

\mathrm {ERP(dBw)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBw)}

نظرًا لأن تعريفي الكسب لا يختلفان إلا عن طريق عامل ثابت ، كذلك يختلف نظام ERP و EIRP

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

في الديسيبل

\mathrm {EIRP(dBw)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBw)}}+2.15

العلاقة بقدرة خرج المرسل

عادة ما يتم توصيل جهاز الإرسال إلى الهوائي من خلال خط إرسال. فخط الإرسال قد يكون له ضياعات كبيرةs $L$ , عادة ما تكون القدرة المطبقة على الهوائي أقل من قدرة خرج المرسل $P_{\ }text{TX}$ . العلاقة بين ERP و EIRP بقدرة خرج المرسل

\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

يتم تضمين الضياعات في الهوائي نفسه في الربح.

العلاقة بقوة الإشارة

إذا كان مسار الإشارة في مساحة حرة على (خط امتداد البصر مع عدم وجود مسارات متعددة) تقاس قوة الإشارة ( كثافة تدفق القدرة بالواط لكل متر مربع) $S$ من إشارة الراديو على محور القسم الرئيسي في أي مسافة معينة $r$ من الهوائي يمكن حسابها من EIRP أو ERP. بما أن الهوائي المتماثل يشع كثافة تدفق القدرة المتساوية على الكرة المتمركزة على الهوائي ، ومنطقة الكرة ذات نصف القطر $r$ is $A=4\pi r^{2}$ then

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

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

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

ومع ذلك ، إذا كانت الموجات الراديوية تنتقل عن طريق موجة أرضية كما هو معتاد للبث على الموجة المتوسطة أو الطويلة ، أو skywave ، أو أن المسارات غير المباشرة تلعب دورًا في الإرسال ، فستعاني الأمواج من تخميد إضافي يعتمد على التضاريس بين الهوائيات ، لذلك هذه الصيغ غير صالحة.

ثنائي القطب مقابل المشعات المتماثلة

نظرًا لاحتساب ERP كربح للهوائي (في اتجاه معين) مقارنةً بأقصى اتجاهية لنصف موجة هوائي ثنائي القطب ، فإنه ينشئ هوائي ثنائي القطب فعال ظاهريًا رياضيًا موجهًا في اتجاه المستقبل. وبعبارة أخرى ، فإن المستقبل الافتراضي في الاتجاه المعين من المرسل سيحصل على نفس القدرة إذا تم استبدال المصدر بثنائي القطب المثالي الموجه بأقصى درجة من الاتجاهية ومطابق الاستقطاب نحو المتلقي ومع قدرة دخل الهوائي تساوي ERP. لن يكون المتلقي قادرًا على تحديد الفرق. الاتجاهية القصوى لثنائي أقطاب نصف الموجة المثالي هو ثابت ، أي ، 0 dBd = 2.15 ديسيبل. لذلك ، يكون ERP دائمًا أقل بـ 2.15 ديسيبل من EIRP. يمكن استبدال الهوائي ثنائي القطب المثالي بمبرد متساوي الخواص (جهاز رياضي بحت لا يمكن أن يوجد في العالم الحقيقي) ، ولا يمكن للمستقبل معرفة الفرق طالما زادت قدرة الدخل بمقدار 2.15 ديسيبل.

لسوء الحظ ، فإن التمييز بين dBd و dBi غالبًا ما يتم تركه دون تحديد ، ويُضطر القارئ أحيانًا إلى الاستدلال على ما تم استخدامه. على سبيل المثال ، يتم إنشاء Yagi-Uda antenna من عدة أقطاب ثنائية مرتبة على فترات زمنية دقيقة لإنشاء تركيز أفضل للطاقة (الاتجاهية) من ثنائي القطب البسيط. نظرًا لأنها مبنية من ثنائيات أقطاب ، فغالبًا ما يتم التعبير عن ربح الهوائي بوحدة dBd ، ولكن يتم سردها فقط على أنها dB. من الواضح أن هذا الالتباس غير مرغوب فيه فيما يتعلق بالمواصفات الهندسية. الاتجاهية القصوى لهوائي Yagi-Uda هي 8.77 dBd = 10.92 dBi. يجب أن يكون الربح بالضرورة أقل من هذا بواسطة العامل η ، الذي يجب أن يكون سالبًا بوحدات ديسيبل . لا يمكن حساب ERP أو EIRP دون معرفة القدرة التي يقبلها الهوائي ، أي أنه ليس صحيحًا استخدام وحدات dBd أو dBi مع ERP و EIRP. دعونا نفترض جهاز إرسال 100 واط (20 ديسيبل) مع خسارة 6 ديسيبل قبل الهوائي. ERP <22.77 dBW و EIRP <24.92dBW ، وكلاهما أقل من المثالي بمقدار η في dB. على افتراض أن المستقبِل يقع في الفص الجانبي الأول لهوائي الإرسال ، وأن كل قيمة يتم تخفيضها بمقدار dB 7.2 ، وهو انخفاض في الاتجاهية من الفص الرئيسي إلى الفص الجانبي في Yagi-Uda. لذلك ، في أي مكان على طول اتجاه الفص الجانبي من هذا المرسل ، لا يستطيع جهاز الاستقبال الأعمى معرفة الفرق إذا تم استبدال Yagi-Uda إما ثنائي القطب المثالي (الموجه نحو المستقبل) أو المبرد المتماثل مع زيادة قدرة دخل الهوائي بمقدار 1.57 ديسيبل.^[5]

الاستقطاب

لم يؤخذ الاستقطاب بعين الاعتبار حتى الآن ، ولكن يجب توضيحه بشكل صحيح. عند النظر في المرسل للأشعة ثنائي القطب سابقًا افترضنا أنه كان متوافقًا تمامًا مع المستقبل. ومع ذلك ، افترض الآن أن هوائي الاستقبال مستقطب دائريًا ، وستكون هناك ضياعات لا تقل عن 3 dB للاستقطاب بغض النظر عن اتجاه الهوائي. إذا كان جهاز الاستقبال ثنائي القطب أيضًا ، فمن الممكن محاذاته بشكل متعامد مع جهاز الإرسال بحيث يتم تلقي الطاقة الصفرية نظريًا. ومع ذلك ، لا يتم حساب ضياعات الاستقطاب هذه عند حساب ERP أو EIRP. بدلاً من ذلك ، يجب على مصمم نظام الاستقبال حساب هذه الضياعات حسب الاقتضاء. على سبيل المثال ، يحتوي برج الهاتف الخلوي على استقطاب خطي ثابت ، ولكن يجب أن يعمل الهاتف المحمول جيدًا في أي اتجاه عشوائي . لذلك ، قد يوفر تصميم الهاتف استقبالًا استقطابيًا مزدوجًا على السماعة بحيث يتم تضخيم الطاقة الملتقطة بصرف النظر عن الاتجاه ، أو قد يستخدم المصمم هوائيًا مستقطب دائريًا ويحسب خسارة إضافية قدرها 3 ديسيبل مع التضخيم.

FM كمثال

على سبيل المثال ، FM محطة راديو والتي تعلن أن لديها 100،000 واط من الطاقة لديها بالفعل 100000 واط ERP ، و "ليس" إرسال 100،000 واط فعلي . قد يتراوح خرج قدرة المرسل (TPO) لهذه المحطة عادةً من 10000 إلى 20000 واط ، مع عامل ربح يتراوح من 5 إلى 10 (من 5 × إلى 10 × ، أو من 7 إلى 10 dB) . في معظم تصميمات الهوائي ، يتحقق الربح في المقام الأول عن طريق تركيز القدرة نحو المستوى الأفقي و تحديده في الزوايا العلوية والسفلية ، من خلال استخدام مصفوفات الطور من عناصر الهوائي. يُعرف توزيع الطاقة مقابل زاوية الارتفاع بالنمط العمودي. عندما يكون الهوائي اتجاهيًا أيضًا بشكل أفقي ، يختلف الربح و ERP باختلاف (بوصلة السمت). بدلاً من القدرة المتوسطة على جميع الاتجاهات ، هي القدرة الظاهرة في اتجاه القسم الرئيسي للهوائي الذي يتم نقله على أنه ERP للمحطة (هذا البيان هو مجرد وسيلة أخرى لتحديد تعريف ERP). ينطبق هذا بشكل خاص على نظم تخطيط موارد المؤسسات الضخمة المبلغ عنها لمحطات الإذاعة الموجة القصيرة ، التي تستخدم عرض الحزمة الضيقة للغاية للحصول على إشاراتها عبر القارات و المحيطات.

الاستخدام التنظيمي للولايات المتحدة

يرتبط ERP لراديو FM في الولايات المتحدة دائمًا بهوائي نظري نصف موجة مرجعي. (أي عند حساب ERP ، فإن الطريقة الأكثر مباشرة هي العمل مع كسب الهوائي بوحدة dBd). للتعامل مع استقطاب الهوائي ، تدرج لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) تخطيطاً ل (ERP) في كل من القياسات الأفقية والرأسية للإذاعة والتلفزيون. الأفقي هو المعيار لكليهما ، ولكن إذا كان ERP العمودي أكبر فسيتم استخدامه بدلاً من ذلك. يبلغ الحد الأقصى لERP في بث FM في الولايات المتحدة عادةً 100000 واط (FM Zone II) أو 50،000 واط (في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية عمومًا I و IA) ، على الرغم من أن القيود الدقيقة تختلف تبعًا لفئة الترخيص و ارتفاع الهوائي فوق متوسط التضاريس (HAAT).^[6] بعض المحطات كانت معفاة ، أو في حالات نادرة جدًا ، أعطيت تنازل ، ويمكن أن تتجاوز القيود العادية.

النقاط الخاصة بحزمة لأمواج الميكروية

بالنسبة لمعظم أنظمة الأمواج الميكروية ، يستخدم الهوائي المتماثل غير اتجاهي كلياً (و الذي يشع) بشكل متساوٍ تمامًا في كل اتجاه ، باستحالة مادية) كهوائي مرجعي ، ثم تم التحدث عن EIRP (القدرة المشعة الفعالة 'الخواص المشعة' ') بدلاً من ERP . يتضمن ذلك قمر صناعي مستجيب ، ورادار ، وأنظمة أخرى تستخدم أطباق الميكروويف والعاكسات بدلاً من الهوائيات ثنائية القطب.

النقاط الخاصة بانخفاض التردد

في حالة الموجة المتوسطة (AM) من المحطات في الولايات المتحدة ، يتم ضبط حدود القدرة على خرج قدرة المرسل الفعلي ، ولا يُستخدم ERP في الحسابات العادية. الهوائيات شاملة الاتجاهات المستخدمة من قبل عدد من المحطات تشع الإشارة على قدم المساواة في جميع الاتجاهات. تستخدم المصفوفات الاتجاهية لحماية محطات القنوات المشتركة أو المجاورة ، عادة في الليل ، لكن بعضها يعمل بشكل مباشر على مدار 24 ساعة. بينما تؤخذ كفاءة الهوائي والتوصيل الأرضي في الاعتبار عند تصميم مثل هذه المصفوفة ، تُظهر قاعدة بيانات لجنة الاتصالات الفيدرالية FCC قدرة خرج مرسل المحطة ، وليس ERP.

المصطلحات ذات الصلة

يمكن استخدام القدرة المشعة الفعالة أحادية القطب (EMRP) في أوروبا ، خاصة فيما يتعلق بهوائيات بث الموجة المتوسطة. هذا هو نفس ERP ، باستثناء أن هوائيًا رأسيًا قصيرًا (أي هوائي قصير أحادي القطب) يُستخدم كهوائي مرجعي بدلاً من نصف موجة ثنائي القطب.

HAAT

مقال رئيسي: الارتفاع فوق متوسط التضاريس

يعد الارتفاع فوق متوسط التضاريس في الموجات المترية (VHF) والترددات الأعلى أمرًا في غاية الأهمية عند النظر في (ERP) ، حيث تزداد تغطية الإشارة (مجموعة البث) الناتجة عن ERP المعين زيادة كبيرة مع ارتفاع الهوائي. وبسبب هذا ، لا يمكن لمحطة لا يتجاوز تعدادها بضع مئات من واط ERP أن تغطي مساحة أكبر من محطة من عدة آلاف من واط ERP ، إذا كانت الإشارة تنتقل فوق العوائق على الأرض.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

للاستزادة

المراجع

^ ^أ ^ب Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 10th Ed. Elsevier. p. 1632. ISBN 1136034102.
^ ^أ ^ب Huang, Yi; Boyle, Kevin (2008). Antennas: From Theory to Practice. John Wiley and Sons. pp. 117–118. ISBN 0470772921.
^ ^أ ^ب Seybold, John S. (2005). Introduction to RF Propagation. John Wiley and Sons. p. 292. ISBN 0471743682.
^ ^أ ^ب Weik, Martin H. (2012). Communications Standard Dictionary. Springer Science and Business Media. p. 327. ISBN 146156672X.
^ Cheng, David K. (1992). Field and Wave Electromagnetics, 2nd Ed. Addison-Wesley. pp. 648–650.
^ 47 CFR 73.211

الكلمات الدالة:

[NAB-1] أ ^ب Jones, Graham A.; Layer, David H.; Osenkowsky, Thomas G. (2007). National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 10th Ed. Elsevier. p. 1632. ISBN 1136034102.

[Huang-2] أ ^ب Huang, Yi; Boyle, Kevin (2008). Antennas: From Theory to Practice. John Wiley and Sons. pp. 117–118. ISBN 0470772921.

[Seybold-3] أ ^ب Seybold, John S. (2005). Introduction to RF Propagation. John Wiley and Sons. p. 292. ISBN 0471743682.

[Weik-4] أ ^ب Weik, Martin H. (2012). Communications Standard Dictionary. Springer Science and Business Media. p. 327. ISBN 146156672X.

[5] Cheng, David K. (1992). Field and Wave Electromagnetics, 2nd Ed. Addison-Wesley. pp. 648–650.

[6] 47 CFR 73.211

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]