القدرة المشعة الفعالة

القدرة المشعة الفعالة ( ERP )، المرادفة للقدرة المشعة المكافئة ، هي تعريف موحد من معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات لقدرة التردد اللاسلكي الاتجاهي (RF)، مثل تلك التي ينبعثها جهاز إرسال لاسلكي . إنها القدرة الكلية بالواط التي يجب أن يشعها هوائي ثنائي القطب نصف الموجة لإعطاء نفس شدة الإشعاع (قوة الإشارة أو كثافة تدفق الطاقة بالواط لكل متر مربع) مثل هوائي المصدر الفعلي في جهاز استقبال بعيد يقع في اتجاه أقوى شعاع للهوائي ( الفص الرئيسي ). تقيس القدرة المشعة الفعالة مزيج القدرة المنبعثة من جهاز الإرسال وقدرة الهوائي على توجيه تلك القدرة في اتجاه معين. إنها تساوي قدرة الإدخال للهوائي مضروبة في مكسب الهوائي. تُستخدم في الإلكترونيات والاتصالات ، وخاصة في البث لقياس القدرة الظاهرية لمحطة البث التي يختبرها المستمعون في منطقة الاستقبال الخاصة بها.

المعلمة البديلة التي تقيس نفس الشيء هي القدرة المشعة المتساوية الخواص الفعالة ( EIRP ). القدرة المشعة المتساوية الخواص الفعالة هي القدرة الافتراضية التي يجب أن يشعها هوائي متساوي الخواص لإعطاء نفس قوة الإشارة ("المكافئة") مثل هوائي المصدر الفعلي في اتجاه أقوى شعاع للهوائي. الفرق بين EIRP وERP هو أن ERP يقارن الهوائي الفعلي بهوائي ثنائي القطب نصف الموجة، بينما يقارنه EIRP بهوائي متساوي الخواص نظري. نظرًا لأن هوائي ثنائي القطب نصف الموجة له ​​مكسب 1.64 (أو 2.15 ديسيبل ) مقارنة بالمشع المتساوي الخواص، إذا تم التعبير عن ERP وEIRP بالواط فإن علاقتهما تكون إذا تم التعبير عنها بالديسيبل $${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dB)} =\mathrm {ERP(dB)} +2.15}$$

تقيس كل من القدرة المشعة الفعالة والقدرة المشعة المتساوية الخواص الفعالة كثافة القدرة التي يشعها جهاز إرسال لاسلكي وهوائي (أو مصدر آخر للموجات الكهرومغناطيسية) في اتجاه معين: في اتجاه أقصى قوة إشارة (" الفص الرئيسي ") لنمط إشعاعه. ^{[1] [2] [3] [4]} تعتمد هذه القدرة الظاهرية على عاملين: إجمالي القدرة الناتجة ونمط إشعاع الهوائي - مقدار هذه القدرة التي تشع في اتجاه أقصى شدة. يتم قياس العامل الأخير من خلال مكسب الهوائي ، وهو نسبة قوة الإشارة التي يشعها الهوائي في اتجاه أقصى إشعاع إلى تلك التي يشعها هوائي قياسي. على سبيل المثال، سيكون لجهاز إرسال بقوة 1000 واط يغذي هوائيًا بمكسب 4 (6 ديسيبل) نفس قوة الإشارة في اتجاه فصه الرئيسي، وبالتالي نفس ERP وEIRP، مثل جهاز إرسال بقوة 4000 واط يغذي هوائيًا بمكسب 1 (0 ديسيبل). وبالتالي، فإن ERP وEIRP هما مقياسان للقوة المشعة التي يمكنها مقارنة مجموعات مختلفة من أجهزة الإرسال والهوائيات على قدم المساواة.

على الرغم من الأسماء، فإن ERP وEIRP لا يقيسان طاقة المرسل أو إجمالي الطاقة التي يشعها الهوائي، بل إنهما مجرد مقياس لقوة الإشارة على طول الفص الرئيسي. ولا يقدمان أي معلومات حول الطاقة المشعة في اتجاهات أخرى أو إجمالي الطاقة. تكون ERP وEIRP دائمًا أكبر من إجمالي الطاقة الفعلية التي يشعها الهوائي.

الفرق بين ERP وEIRP هو أن مكسب الهوائي يتم قياسه تقليديًا في وحدتين مختلفتين، بمقارنة الهوائي بهوائيين قياسيين مختلفين؛ هوائي متساوي الخواص وهوائي ثنائي القطب نصف الموجة :

• الكسب المتساوي الخواص هو نسبة كثافة القدرة (قوة الإشارة بالواط لكل متر مربع) المستقبلة عند نقطة بعيدة عن الهوائي (في المجال البعيد ) في اتجاه أقصى إشعاع له (الفص الرئيسي)، إلى القدرة المستقبلة عند نفس النقطة من هوائي متساوي الخواص افتراضي بدون خسارة ، والذي يشع طاقة متساوية في جميع الاتجاهات. غالبًا ما يتم التعبير عن الكسب بوحدات لوغاريتمية من الديسيبل (dB). يتم إعطاء الكسب الديسيبل بالنسبة للهوائي المتساوي الخواص (dBi) بواسطة${\displaystyle S_{\text{الحد الأقصى}}}$${\displaystyle S_{\text{الحد الأقصى، ISO}}}$$${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{i}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$$${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBi)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,iso}}}}$$
• مكسب ثنائي القطب هو نسبة كثافة القدرة المستقبلة من الهوائي في اتجاه أقصى إشعاع له إلى كثافة القدرة المستقبلة من هوائي ثنائي القطب نصف الموجة بدون خسارة في اتجاه أقصى إشعاع له. يتم إعطاء مكسب الديسيبل بالنسبة إلى ثنائي القطب (dBd) بواسطة${\displaystyle S_{\text{الحد الأقصى، ثنائي القطب}}}$$${\displaystyle \mathrm {G} _{\text{d}}={S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$$${\displaystyle \mathrm {G} {\text{(dBd)}}=10\log {S_{\text{max}} \over S_{\text{max,dipole}}}}$$

على النقيض من الهوائي المتساوي الخواص، يتمتع ثنائي القطب بنمط إشعاع "على شكل دونات"، حيث تبلغ قدرته المشعة أقصى حد لها في الاتجاهات العمودية على الهوائي، وتنخفض إلى الصفر على محور الهوائي. ونظرًا لأن إشعاع ثنائي القطب مركّز في الاتجاهات الأفقية، فإن مكسب ثنائي القطب نصف الموجة يكون أكبر من مكسب الهوائي المتساوي الخواص. المكسب المتساوي الخواص لثنائي القطب نصف الموجة هو 1.64، أو بالديسيبل 10 log 1.64 = 2.15 dBi، لذا بالديسيبل $${\displaystyle G_{\text{i}}=1.64G_{\text{d}}}$$$${\displaystyle G(dBi)=G(dBd)+2.15}$$

يعتمد مقياسا EIRP وERP على هوائيين قياسيين مختلفين أعلاه: ^{[1] [3] [2] [4]}

• يتم تعريف EIRP على أنه القدرة المدخلة بالواط RMS المطلوبة لهوائي متساوي الخواص بدون خسارة لإعطاء نفس كثافة الطاقة القصوى بعيدًا عن الهوائي مثل المرسل الفعلي. إنها تساوي القدرة المدخلة لهوائي المرسل مضروبة في كسب الهوائي المتساوي الخواص . غالبًا ما يتم التعبير عن ERP وEIRP أيضًا بالديسيبل (dB). يتم حساب القدرة المدخلة بالديسيبل عادةً بالمقارنة بمستوى مرجعي يبلغ واط واحد (W): . نظرًا لأن ضرب عاملين يعادل إضافة قيم الديسيبل الخاصة بهما$${\displaystyle \mathrm {EIRP} =G_{\text{i}}P_{\text{in}}}$$${\displaystyle P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} =10\log P_{\text{in}}}$$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =G{\text{(dBi)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$
• يتم تعريف ERP على أنه طاقة الإدخال RMS بالواط المطلوبة لهوائي ثنائي القطب نصف الموجة بدون خسارة لإعطاء نفس كثافة الطاقة القصوى بعيدًا عن الهوائي مثل المرسل الفعلي. إنها تساوي طاقة الإدخال لهوائي المرسل مضروبة في مكسب الهوائي بالنسبة إلى ثنائي القطب نصف الموجة بالديسيبل$${\displaystyle \mathrm {ERP} =G_{\text{d}}P_{\text{in}}}$$$${\displaystyle \mathrm {ERP(dBW)} =G{\text{(dBd)}}+P_{\text{in}}\mathrm {(dBW)} }$$

نظرًا لأن التعريفين للربح يختلفان فقط بعامل ثابت، فإن ERP وEIRP يختلفان أيضًا بالديسيبل $${\displaystyle \mathrm {EIRP(W)} =1.64\cdot \mathrm {ERP(W)} }$$$${\displaystyle \mathrm {EIRP(dBW)} =\mathrm {ERP} {\text{(dBW)}}+2.15}$$

عادة ما يتم توصيل المرسل بالهوائي من خلال خط نقل وشبكة مطابقة المعاوقة . ونظرًا لأن هذه المكونات قد يكون لها خسائر كبيرة ، فإن الطاقة المطبقة على الهوائي تكون عادةً أقل من طاقة خرج المرسل . والعلاقة بين ERP وEIRP وطاقة خرج المرسل هي يتم تضمين الخسائر في الهوائي نفسه في المكسب. ${\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}$$

إذا كان مسار الإشارة في الفضاء الحر ( انتشار خط البصر بدون مسارات متعددة )، فيمكن حساب قوة الإشارة ( كثافة تدفق الطاقة بالواط لكل متر مربع) للإشارة الراديوية على محور الفص الرئيسي عند أي مسافة معينة من الهوائي من EIRP أو ERP. نظرًا لأن الهوائي المتساوي الخواص يشع كثافة تدفق طاقة متساوية على كرة مركزها الهوائي، ومساحة الكرة بنصف القطر هي إذن بما أن ، بعد قسمة عامل ، نحصل على: ${\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}}}$$${\displaystyle \pi }$$${\displaystyle S(r)={\mathrm {0.13\times ERP} \over r^{2}}}$$

ومع ذلك، إذا كانت الموجات الراديوية تنتقل عبر الموجات الأرضية كما هو معتاد في البث الموجي المتوسط ​​أو الطويل، أو الموجات السماوية ، أو المسارات غير المباشرة تلعب دورًا في النقل، فإن الموجات سوف تعاني من التوهين الإضافي الذي يعتمد على التضاريس بين الهوائيات، وبالتالي فإن هذه الصيغ غير صالحة.

نظرًا لأن ERP يتم حسابه على أنه مكسب هوائي (في اتجاه معين) بالمقارنة مع أقصى اتجاهية لهوائي ثنائي القطب نصف الموجة ، فإنه ينشئ هوائي ثنائي القطب فعالًا افتراضيًا رياضيًا موجهًا في اتجاه المستقبل. بعبارة أخرى، سيتلقى جهاز استقبال افتراضي في اتجاه معين من المرسل نفس القدرة إذا تم استبدال المصدر بثنائي قطب مثالي موجه بأقصى اتجاه واستقطاب متطابق تجاه المستقبل وبقدرة إدخال هوائي تساوي ERP. لن يتمكن المستقبل من تحديد الفرق. أقصى اتجاهية لثنائي القطب نصف الموجة المثالي هو ثابت، أي 0 dBd = 2.15 dBi. لذلك، يكون ERP دائمًا أقل بمقدار 2.15 ديسيبل من EIRP. يمكن استبدال الهوائي ثنائي القطب المثالي بمشع متساوي الخواص (جهاز رياضي بحت لا يمكن أن يوجد في العالم الحقيقي)، ولا يمكن لجهاز الاستقبال معرفة الفرق طالما زادت طاقة الإدخال بمقدار 2.15 ديسيبل.

غالبًا ما يُترك التمييز بين dBd و dBi دون توضيح، ويُضطر القارئ أحيانًا إلى استنتاج أيهما تم استخدامه. على سبيل المثال، يتم إنشاء هوائي Yagi-Uda من عدة ثنائيات أقطاب مرتبة على فترات دقيقة لإنشاء تركيز طاقة أكبر (توجيهية) من ثنائي القطب البسيط. نظرًا لأنه مصنوع من ثنائيات أقطاب، فغالبًا ما يتم التعبير عن كسب الهوائي الخاص به بوحدة dBd، ولكن يتم إدراجه فقط على أنه dB. هذا الغموض غير مرغوب فيه فيما يتعلق بالمواصفات الهندسية. أقصى اتجاه لهوائي Yagi-Uda هو 8.77 dBd = 10.92 dBi. يجب أن يكون كسبه بالضرورة أقل من هذا بعامل η، والذي يجب أن يكون سلبيًا بوحدات dB. لا يمكن حساب ERP أو EIRP دون معرفة القدرة التي يقبلها الهوائي، أي أنه ليس من الصحيح استخدام وحدات dBd أو dBi مع ERP و EIRP. لنفترض أن لدينا جهاز إرسال بقوة 100 واط (20 ديسيبل وات) مع خسائر 6 ديسيبل قبل الهوائي. ERP < 22.77 ديسيبل وEIRP < 24.92 ديسيبل وهما أقل من المثالي بمقدار η بالديسيبل. بافتراض أن المستقبل يقع في الفص الجانبي الأول للهوائي المرسل، وأن كل قيمة تقل بمقدار 7.2 ديسيبل، وهو الانخفاض في الاتجاهية من الفص الرئيسي إلى الفص الجانبي لجهاز Yagi-Uda. لذلك، في أي مكان على طول اتجاه الفص الجانبي من هذا الجهاز المرسل، لا يستطيع المستقبل الأعمى معرفة الفرق إذا تم استبدال Yagi-Uda إما بثنائي قطب مثالي (موجه نحو المستقبل) أو مشع متساوي الخواص مع زيادة طاقة إدخال الهوائي بمقدار 1.57 ديسيبل. ^[5]

لم يتم أخذ الاستقطاب في الاعتبار حتى الآن، ولكن يجب توضيحه بشكل صحيح. عند النظر في المبرد ثنائي القطب سابقًا، افترضنا أنه محاذٍ تمامًا للمستقبل. افترض الآن، مع ذلك، أن هوائي الاستقبال مستقطب دائريًا، وسيكون هناك فقدان استقطاب بحد أدنى 3 ديسيبل بغض النظر عن اتجاه الهوائي. إذا كان المستقبل ثنائي القطب أيضًا، فمن الممكن محاذاته بشكل عمودي على المرسل بحيث يتم استقبال طاقة صفرية نظريًا. ومع ذلك، لا يتم حساب فقدان الاستقطاب هذا في حساب ERP أو EIRP. بدلاً من ذلك، يجب على مصمم نظام الاستقبال حساب هذه الخسارة حسب الاقتضاء. على سبيل المثال، يحتوي برج الهاتف الخلوي على استقطاب خطي ثابت، ولكن يجب أن يعمل الهاتف المحمول جيدًا في أي اتجاه تعسفي. لذلك، قد يوفر تصميم الهاتف استقبالًا باستقطاب مزدوج على الهاتف بحيث يتم تعظيم الطاقة الملتقطة بغض النظر عن الاتجاه، أو قد يستخدم المصمم هوائيًا مستقطبًا دائريًا ويحسب 3 ديسيبل إضافية من الخسارة بالتضخيم.

على سبيل المثال، محطة راديو FM تعلن أنها تمتلك 100000 واط من الطاقة لديها في الواقع 100000 واط ERP، وليس جهاز إرسال فعلي بقوة 100000 واط. قد يكون خرج طاقة جهاز الإرسال (TPO) لمثل هذه المحطة عادةً من 10000 إلى 20000 واط، مع عامل مكسب يتراوح من 5 إلى 10 (5× إلى 10×، أو 7 إلى 10 ديسيبل ). في معظم تصميمات الهوائي، يتم تحقيق المكسب في المقام الأول من خلال تركيز الطاقة نحو المستوى الأفقي وقمعها بزوايا لأعلى ولأسفل، من خلال استخدام مجموعات طورية من عناصر الهوائي. يُعرف توزيع الطاقة مقابل زاوية الارتفاع بالنمط الرأسي . عندما يكون الهوائي أيضًا اتجاهيًا أفقيًا، فإن المكسب وERP يختلفان مع السمت ( اتجاه البوصلة ). بدلاً من متوسط ​​القدرة في جميع الاتجاهات، فإن القدرة الظاهرة في اتجاه ذروة الفص الرئيسي للهوائي هي التي يتم اقتباسها كـ ERP للمحطة (هذا البيان هو مجرد طريقة أخرى لبيان تعريف ERP). وهذا ينطبق بشكل خاص على ERPs الضخمة المبلغ عنها لمحطات البث بالموجات القصيرة ، والتي تستخدم عرض حزمة ضيق للغاية لنقل إشاراتها عبر القارات والمحيطات.

إن ERP لراديو FM في الولايات المتحدة يكون دائمًا نسبيًا لهوائي ثنائي القطب نصف الموجة المرجعي النظري . (أي أنه عند حساب ERP، فإن النهج الأكثر مباشرة هو العمل مع كسب الهوائي بوحدة dBd). للتعامل مع استقطاب الهوائي، تسرد لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) ERP في كل من القياسات الأفقية والرأسية لـ FM والتلفزيون. الأفقي هو المعيار لكليهما، ولكن إذا كان ERP الرأسي أكبر، فسيتم استخدامه بدلاً من ذلك.

يبلغ الحد الأقصى لـERP لبث FM في الولايات المتحدة عادةً 100000 واط (منطقة FM II) أو 50000 واط (في المناطق الأكثر كثافة سكانية عمومًا I وIA)، على الرغم من أن القيود الدقيقة تختلف حسب فئة الترخيص وارتفاع الهوائي فوق متوسط ​​التضاريس (HAAT). ^[6] تم استثناء بعض المحطات أو، في حالات نادرة جدًا، تم منحها إعفاءً ، ويمكن أن تتجاوز القيود العادية.

بالنسبة لمعظم أنظمة الموجات الدقيقة ، يتم استخدام هوائي متساوي الخواص غير اتجاهي تمامًا ( يشع بشكل متساوٍ ومثالي في كل الاتجاهات - وهو أمر مستحيل فيزيائيًا) كهوائي مرجعي، ومن ثم نتحدث عن EIRP ( قوة إشعاعية متساوية الخواص فعالة ) بدلاً من ERP. يشمل هذا أجهزة الإرسال والاستقبال الفضائية والرادار والأنظمة الأخرى التي تستخدم أطباق الموجات الدقيقة والعاكسات بدلاً من الهوائيات ثنائية القطب.

في حالة محطات الموجات المتوسطة (AM) في الولايات المتحدة ، يتم ضبط حدود الطاقة على خرج طاقة المرسل الفعلي، ولا يتم استخدام ERP في الحسابات العادية. تشع الهوائيات متعددة الاتجاهات التي تستخدمها عدد من المحطات الإشارة بالتساوي في جميع الاتجاهات الأفقية. تُستخدم المصفوفات الاتجاهية لحماية محطات القناة المشتركة أو المتجاورة، عادةً في الليل، ولكن بعضها يعمل بشكل اتجاهي بشكل مستمر. بينما يتم أخذ كفاءة الهوائي والتوصيل الأرضي في الاعتبار عند تصميم مثل هذه المصفوفة، تُظهر قاعدة بيانات FCC خرج طاقة المرسل للمحطة، وليس ERP.

وفقًا لمؤسسة مهندسي الكهرباء (المملكة المتحدة)، غالبًا ما يتم استخدام ERP كمصطلح مرجعي عام للطاقة المشعة، ولكن بالمعنى الدقيق للكلمة يجب استخدامه فقط عندما يكون الهوائي ثنائي القطب نصف الموجة، ^[7] ويُستخدم عند الإشارة إلى نقل FM. ^[8]

يمكن استخدام القدرة المشعة أحادية القطب الفعالة ( EMRP ) في أوروبا، وخاصة فيما يتعلق بهوائيات البث بالموجات المتوسطة . وهذا هو نفس ERP، إلا أنه يتم استخدام هوائي رأسي قصير (أي أحادي القطب القصير ) كهوائي مرجعي بدلاً من ثنائي القطب نصف الموجة . ^[7]

القوة الدافعة الكهربية ( CMF ) هو مصطلح بديل يستخدم للتعبير عن شدة الإشعاع بالفولت ، وخاصة عند الترددات المنخفضة. ^[7] يتم استخدامه في التشريعات الأسترالية التي تنظم خدمات البث AM، والتي تصفه على النحو التالي: "بالنسبة لجهاز الإرسال، [فهو] يعني حاصل ضرب، معبرًا عنه بالفولت، في: (أ) قوة المجال الكهربائي عند نقطة معينة في الفضاء، بسبب تشغيل جهاز الإرسال؛ و (ب) مسافة تلك النقطة من هوائي جهاز الإرسال". ^[9]

يتعلق الأمر بالبث الإذاعي AM فقط، ويعبر عن قوة المجال بـ " ميكروفولت لكل متر على مسافة كيلومتر واحد من هوائي الإرسال". ^[8]

الارتفاع فوق متوسط ​​التضاريس لترددات VHF والترددات الأعلى مهم للغاية عند النظر في ERP، حيث تزداد تغطية الإشارة ( نطاق البث ) التي ينتجها ERP معين بشكل كبير مع ارتفاع الهوائي. وبسبب هذا، من الممكن لمحطة ERP ذات بضع مئات من الواط فقط أن تغطي مساحة أكبر من محطة ERP ذات بضعة آلاف من الواط، إذا انتقلت إشارتها فوق العوائق على الأرض.

• القدرة الإسمية (البث الإذاعي)
• قائمة فئات محطات البث في أمريكا الشمالية