유효 복사 전력

등가 등가등방방사전력(EIRP)의 정의 그림.축의 신호 강도 단위는 데시벨입니다.

(\

은

R_{{\text{a}}}

지향성 안테나를 구동하는 특정 송신기의 방사선 패턴입니다.Z축을 따라 최대 방사(메인 로브) 방향으로

원거리 필드 신호 강도 S(\displaystyle

S)

를

S

방사합니다.녹색

R_{\text{iso}}

R_{\text{iso}}

iso

({

는

R_{\text{iso}}

지향성 안테나와 동일한 최대 신호 강도를 방사하는 이상적인 등방성 안테나의 방사 패턴입니다.이 정도의 전력을 방사하기 위해서 등방성 안테나에 인가할 필요가 있는 송신 전력은 EIRP입니다.

ERP(Effective Radiation Power)는 동등한 방사 전력과 같은 IEEE 표준 정의로, 무선 송신기에서 방출되는 것과 같은 방향성 무선 주파수(RF) 전력입니다.안테나의 가장 강한 빔(메인 로브) 방향에 있는 원거리 수신기의 실제 소스 안테나와 동일한 복사 강도(제곱미터당 와트 단위 신호 강도 또는 전력 플럭스 밀도)를 제공하기 위해 반파 다이폴 안테나가 방사해야 하는 와트 단위의 총 전력입니다.ERP는 송신기에서 방출되는 전력과 안테나가 특정 방향으로 전력을 유도하는 능력의 조합을 측정합니다.이는 안테나에 대한 입력 전력에 안테나의 게인을 곱한 값과 같습니다.전자 및 통신, 특히 수신 영역에서 청취자가 경험하는 방송국의 외관상 파워를 정량화하기 위해 사용됩니다.

같은 것을 측정하는 대체 파라미터는 Effective Isotropic Radiated Power(EIRP; 유효등방성방사전력)입니다.유효 등방성 복사 전력은 등방성 안테나가 안테나의 가장 강한 빔 방향으로 실제 소스 안테나와 동일한("등가" 신호 강도를 제공하기 위해 방사해야 하는 가상의 전력입니다.EIRP와 ERP의 차이점은 ERP는 실제 안테나를 반파장 다이폴 안테나와 비교하고 EIRP는 이론적인 등방성 안테나와 비교한다는 것입니다.반파장 다이폴 안테나는 등방성 라디에이터에 비해 1.64(또는 2.15dB)의 이득이 있기 때문에 ERP와 EIRP가 와트 단위로 표시되는 경우 이들의 관계는 다음과 같습니다.

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

데시벨 단위로 표시되는 경우

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

정의들

유효 방사 전력과 유효 등방성 방사 전력은 모두 무선 송신기와 안테나(또는 전자파의 다른 소스)가 특정 방향으로 방사하는 전력 밀도를 측정합니다. 즉, 방사선 ^[1]^[2]^[3]^[4]패턴의 최대 신호 강도("메인 로브") 방향입니다.이 외관 전력은 총 출력과 안테나의 방사선 패턴, 즉 원하는 방향으로 방사되는 전력의 양이라는 두 가지 요인에 따라 달라집니다.후자의 계수는 안테나 게인에 의해 정량화됩니다.이것은 안테나가 최대 방사 방향으로 방사하는 신호 강도와 표준 안테나에서 방사하는 신호 강도의 비율입니다.예를 들어 게인이 4(6dBi)인 안테나를 급전하는 1,000와트 송신기는 메인 로브 방향에서 신호 강도가 같으므로 게인이 1(0dBi)인 안테나를 급전하는 4,000와트 송신기와 동일한 ERP 및 EIRP가 됩니다.따라서 ERP와 EIRP는 송신기와 안테나의 다른 조합을 동등하게 비교할 수 있는 복사 전력의 척도입니다.

ERP 및 EIRP라는 이름에도 불구하고 송신기 전력 또는 안테나에 의해 방사되는 총 전력은 측정하지 않습니다.메인 로브에 따른 신호 강도의 측정치에 불과합니다.다른 방향으로 방사되는 전력이나 총 전력에 대한 정보는 없습니다.ERP와 EIRP는 항상 안테나가 방사하는 실제 총 전력보다 큽니다.

ERP와 EIRP의 차이점은 전통적으로 안테나 게인을 2개의 다른 표준 안테나(등방성 안테나 및 반파장 다이폴 안테나)와 비교하여 2개의 다른 단위로 측정했다는 것입니다.

등방성 게인은 안테나에서 최대 방사(메인 로브) 방향으로 멀리 떨어진 지점(원거리 필드)에서 수신된 전력 $S_{\text{max}}$ $(\$ 와 수신된 $S_{\text{max,isotropic}}$ $(\$ 의 $S_{\text{max,isotropic}}$ 비율입니다.모든 방향으로 동일한 전력을 방사하는 가상의 무손실 등방성 안테나로부터의 동일한 점 $\displaystyle \mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max, 등방성}}}$ 게인은 종종 데시벨(dB)의 로그 단위로 표시됩니다.등방성 안테나(dBi)에 대한 데시벨 게인은 다음과 같습니다. $\displaystyle \mathrm {G}(dBi)}=10\log {S_{\text{max}}\over S_{\text{max, 등방성}}}$
다이폴 게인은 최대 방사 방향으로 안테나로부터 수신한 전력 밀도와 최대 방사 방향으로 무손실 반파 다이폴 안테나로부터 수신한 전력 $S_{\text{max,dipole}}$ S max, $S_{\text{max,dipole}}$ 의 $S_{\text{max,dipole}}$ 비율입니다. $\displaystyle \mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}$ 쌍극자(dBd)에 대한 데시벨 게인은 다음과 같습니다. $\mathrm {G}(dBd)}=10\log {S_{\text{max}}\over S_{\text{max,dipole}}}$

등방성 안테나와는 대조적으로 다이폴은 "도넛" 모양의 방사 패턴을 가지고 있으며, 그 복사 전력은 안테나에 수직인 방향으로 최대이며 안테나 축에서 0으로 감소합니다.쌍극자의 복사는 수평방향으로 집중되기 때문에 반파장 쌍극자의 이득은 등방성 안테나보다 크다.반파장 쌍극자의 등방성 이득은 1.64 또는 데시벨 10 log 1.64 = 2.15 dBi입니다.

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

데시벨 단위

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

EIRP와 ERP의 2가지 측정은 위의 ^[1]^[3]^[2]^[4]2가지 표준 안테나를 기반으로 합니다.

EIRP는 실제 송신기와 동일한 최대 전력 밀도를 안테나에서 제공하기 위해 무손실 등방성 안테나에 필요한 와트 단위의 RMS 전력 입력으로 정의됩니다.송신기 안테나에 대한 전력 입력에 등방성 안테나 게인을 곱한 값과 같습니다. $\displaystyle \mathrm {EIRP} = G_{\text{i}}P_{\text{in}}}$ ERP와 EIRP도 데시벨(dB) 단위로 표시되는 경우가 많습니다.데시벨 단위의 입력전력은 보통 1와트(W)의 기준레벨과 비교하여 계산됩니다. $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ ( $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ ) $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ log $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ P $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ $($ \ $displaystyle P$ _ { \ $text$ { $in$ } ) \ $mathrm$ { ( $dBW$ ) = $10$ \ $log$ P _ { \ $text$ { \ $text$ { in $}$ $P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}$ = 10 \ log P in \ text { \ text { \ text { } } ） p P p 2 p 2 。 $\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)}=G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)}}}$
ERP는 실제 송신기와 동일한 최대 전력 밀도를 안테나에서 제공하기 위해 무손실 반파 다이폴 안테나에 필요한 와트 단위의 RMS 전력 입력으로 정의됩니다.이는 송신기 안테나에 대한 전력 입력에 반파장 쌍극자를 기준으로 안테나 게인을 곱한 값과 같습니다. $\displaystyle \mathrm {ERP} = G_{\text{d}}P_{\text{in}}}$ 데시벨 단위 $\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)}=G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)}}}$

이득에 대한 두 가지 정의는 일정한 요인에 의해서만 다르기 때문에 ERP와 EIRP도 마찬가지입니다.

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

데시벨 단위

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

송신기 출력 전력과의 관계

송신기는 보통 송신선을 통해 안테나에 접속됩니다.전송 라인의 $L$ 은L(\ $displaystyle$ L $L$ 에 상당할 수 있으므로 안테나에 가해지는 전력은 보통 $P_{\text{TX}}$ $P_{\text{TX}}$ TX의 출력 전력보다 작습니다(\ $displaystyle P_{\text}).$ TX $}}}$ 입니다 $P_{\text{TX}}$ ERP 및 EIRP와 송신기 출력 전력의 관계는 다음과 같습니다.

\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}

안테나 자체의 손실은 이득에 포함됩니다.

신호 강도에 대한 관계

신호 경로가 자유 공간(멀티패스 없는 가시거리 전파)에 있는 경우 안테나에서 r $\displaystyle$ r\displaystyle r $}$ 의 $r$ 특정 거리에 있는 메인 로브 축의 무선 신호의 신호 강도(제곱미터당 와트 단위 전력 플럭스 $)$ S\ $displaystyle$ S $}$ 를 $S$ EIRP 또는 ERP에서 계산할 수 있습니다.등방성 안테나는 안테나를 중심으로 한 구에 동일한 전력 플럭스 밀도를 방사하며 $r$ 이 $r$ 인 $r$ 구면의 $A=4\pi r^{2}$ 은 A $=$ $A=4\pi r^{2}$ 2 $({$ 2}})이므로 $A=4\pi r^{2}$ ,

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

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

R

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

=

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

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

P ×

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

{

displaystyle \mathrm {EIRP}

=\

mathrm

{ERP} \

times

1.

64

이므로,

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

그러나 전파가 보통 중파 또는 장파 방송과 같이 지상파에 의해 이동하면 하늘파 또는 간접 경로가 전송에 영향을 미치므로 안테나 사이의 지형에 따라 추가 감쇠가 발생하므로 이러한 공식은 유효하지 않습니다.

쌍극자 대 등방성 방사기

ERP는 반파장 다이폴 안테나의 최대 지향성과 비교하여 안테나 게인(특정 방향)으로 계산되기 때문에 수신기의 방향을 지향하는 수학적으로 가상적인 유효 다이폴 안테나를 생성합니다.즉, 송신기로부터의 특정 방향의 수신기는, 최대 지향성을 가지는 이상적인 쌍극자, 및 수신기에 대한 편광의 일치, 및 ERP와 같은 안테나 입력 전력으로 교환되었을 경우, 같은 전력을 수신하게 됩니다.리시버는 차이를 판별할 수 없습니다.이상적인 반파장 쌍극자의 최대 지향성은 상수이다. 즉, 0 dBd = 2.15 dBi이다.따라서 ERP는 항상 EIRP보다 2.15dB 작습니다.이상적인 다이폴 안테나는 등방성 라디에이터(실제에서는 존재할 수 없는 순수 수학 디바이스)로 대체될 수 있으며, 입력 전력이 2.15dB 증가하는 한 수신기는 차이를 알 수 없습니다.

불행히도 dBd와 dBi의 구별은 종종 명기되지 않은 채 방치되며 독자는 어떤 것이 사용되었는지 추론해야 한다.예를 들어, Yagi-Uda 안테나는 단순한 다이폴보다 더 나은 에너지 초점(방향성)을 만들기 위해 정확한 간격으로 배치된 여러 개의 다이폴로 구성됩니다.다이폴로 구성되기 때문에 안테나 게인은 dBd로 표시되지만 dB로만 표시됩니다.분명히 이 모호성은 엔지니어링 사양과 관련하여 바람직하지 않습니다.Yagi-Uda 안테나의 최대 지향성은 8.77dBd = 10.92dBi입니다.그 이득은 반드시 이것보다 계수 θ만큼 작아야 하며, 이는 dB 단위로 음수여야 한다.ERP와 EIRP 중 어느 것도 안테나가 받아들이는 전력을 알지 못하면 계산할 수 없습니다.즉, ERP와 EIRP에서 dBd 또는 dBi 단위를 사용하는 것은 올바르지 않습니다.안테나에 앞서 손실이 6dB인 100와트(20dBW) 송신기를 상정합니다.ERP < 22.77dBW 및 EIRP < 24.92dBW. 둘 다 †(dB)보다 작습니다.수신기가 송신 안테나의 제1측로베에 있고, 각 값이 7.2dB 감소한다고 가정하면, 이것은 야기우다의 주측로베에서 측로베로의 지향성의 감소이다.따라서, 이 송신기로부터의 사이드 로브 방향을 따라서, 블라인드 수신기는 Yagi-Uda를 이상적인 다이폴(수신기 쪽으로 향함) 또는 안테나 입력 전력이 ^[5]1.57dB 증가한 등방성 라디에이터로 대체했는지의 차이를 구별할 수 없었습니다.

편광

양극화는 지금까지 고려되지 않았지만, 제대로 규명되어야 한다.이전에 다이폴 라디에이터를 고려할 때 리시버와 완벽하게 정렬되어 있다고 가정했습니다.단, 수신 안테나가 원방향으로 편광되어 있으며 안테나 방향에 관계없이 최소 3dB의 편광 손실이 발생한다고 가정합니다.수신기가 다이폴인 경우 이론적으로 제로 에너지가 수신되도록 송신기와 직교로 정렬할 수 있습니다.단, 이 편광 손실은 ERP 또는 EIRP 계산에서는 고려되지 않습니다.수신측 시스템 설계자는 이 손실을 적절히 고려해야 합니다.예를 들어, 휴대전화 타워는 고정된 선형 편광을 가지고 있지만, 모바일 핸드셋은 임의의 방향에서 잘 기능해야 합니다.따라서 핸드셋 설계는 방향에 관계없이 캡처된 에너지가 최대가 되도록 핸드셋에 듀얼 편파 수신을 제공할 수 있습니다.또한 설계자는 원편파 안테나를 사용하여 증폭으로 인한 추가 3dB 손실을 고려할 수 있습니다.

FM의 예

FM 방송국의 4베이 크로스 다이폴 안테나.

예를 들어, 10만 와트의 전력을 가지고 있다고 선전하는 FM 라디오 방송국은 실제로는 100,000 와트의 ERP를 갖추고 있지만, 실제로는 100,000 와트의 송신기가 아닙니다.이러한 스테이션의 Transmitter Power Output(TPO; 송신기 전력 출력)은 일반적으로 10,000 ~20,000 와트이며, 게인 계수는 5~10 (5×10×, 또는 7~10 dB)입니다.대부분의 안테나 설계에서 게인은 주로 수평면을 향해 전력을 집중시키고 안테나 요소의 단계별 어레이를 사용하여 위아래 각도로 억제함으로써 실현됩니다.검정력 대 고도 각도의 분포를 수직 패턴이라고 합니다.안테나가 수평 방향인 경우 게인과 ERP는 방위각(나침반 방향)에 따라 달라집니다.모든 방향의 평균 전력보다는 안테나의 메인 로브 방향의 외관 전력으로 스테이션의 ERP라고 불립니다(이 문구는 ERP의 정의를 나타내는 또 다른 방법에 불과합니다).이는 특히 대륙과 바다를 가로질러 신호를 전달하기 위해 매우 좁은 빔 폭을 사용하는 단파 방송국에 대해 보고된 거대한 ERP에 해당된다.

미국의 규제 용도

미국의 FM 라디오용 ERP는 항상 이론적인 기준 반파 다이폴 안테나에 상대적입니다(즉, ERP를 계산할 때 가장 직접적인 방법은 안테나 게인을 dBd 단위로 처리하는 것입니다).안테나 편광에 대처하기 위해 연방통신위원회(FCC)는 FM과 TV의 수평 및 수직 측정 모두에 ERP를 열거하고 있습니다.양쪽 모두 수평이 표준이지만 수직 ERP가 클 경우 대신 사용됩니다.

US FM 방송의 최대 ERP는 보통 100,000와트(FM Zone II) 또는 50,000와트(일반적으로 인구가 더 많은 Zone I 및 I-A)입니다.단, 라이센스 등급과 평균 지형(HAAT)^[6]보다 높은 안테나 높이에 따라 정확한 제한이 다릅니다.일부 스테이션은 그랜드패더링되거나 매우 드물게 포기를 받아 일반 제한을 초과할 수 있습니다.

마이크로파 대역 문제

대부분의 마이크로파 시스템에서는 완전히 비방향성 등방성 안테나(모든 방향으로 균등하고 완벽하게 방사되는 안테나-물리적으로 불가능한 안테나)가 참조 안테나로 사용되며, ERP가 아닌 EIRP(유효 등방성 방사 전력)가 사용됩니다.여기에는 위성 트랜스폰더, 레이더 및 다이폴식 안테나 대신 마이크로파 접시 및 반사기를 사용하는 기타 시스템이 포함됩니다.

빈도가 낮은 문제

미국의 중파(AM) 스테이션의 경우 전력제한은 실제 송신기 출력으로 설정되며 ERP는 통상적인 계산에 사용되지 않습니다.많은 스테이션에서 사용되는 전방향 안테나는 신호를 모든 방향으로 균등하게 방사합니다.방향 배열은 보통 야간에 공동 또는 인접 채널 스테이션을 보호하는 데 사용되지만 일부는 24시간 동안 방향성으로 실행됩니다.이러한 어레이를 설계할 때는 안테나 효율과 접지 전도성이 고려되지만 FCC 데이터베이스는 ERP가 아닌 스테이션의 송신기 전력 출력을 보여줍니다.

핫

ERP를 고려할 때 VHF 이상의 주파수는 안테나 높이에 따라 신호 커버리지(브로드캐스트 범위)가 크게 증가하므로 평균 지형보다 높은 높이가 매우 중요합니다.따라서 신호가 지상의 장애물 위로 전달되면 수백 와트 ERP 스테이션이 수천 와트 ERP 스테이션보다 더 넓은 영역을 커버할 수 있습니다.

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레퍼런스

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