potencia radiada efectiva

La potencia radiada efectiva ( ERP ), sinónimo de potencia radiada equivalente , es una definición estandarizada por el IEEE de la potencia de radiofrecuencia (RF) direccional, como la emitida por un transmisor de radio . Es la potencia total que tendría que irradiar una antena dipolo de media onda para producir la misma intensidad de radiación (intensidad de señal o densidad de flujo de potencia , expresada como potencia por área) que la antena fuente real en un receptor distante ubicado en la dirección del haz más potente 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 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 estación de radiodifusión que experimentan los oyentes en su área 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 irradiar una antena isotrópica para dar la misma intensidad de señal ("equivalente") que la antena fuente real en la dirección del haz más potente 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 aproximadamente 1,64 (o aproximadamente 2,15 dB ) en comparación con un radiador isotrópico, si la PRE y la PIRE se expresan como potencia, su relación es $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(W)}}\aproximadamente 1,64\times {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(W)}}\ }$$ Si se expresan en decibelios $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathrm {(dBm)} }\approx {\mathsf {ERP}}_{\mathrm {(dBm)} }+2,15\ {\mathsf {dB}}\ }$$

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 señal (el " lóbulo principal ") de su patrón de radiación. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Esta potencia aparente depende de dos factores: la potencia de salida total y el patrón de radiación de la antena, es decir, 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 irradiada por una antena en su dirección de máxima radiación y la irradiada por una antena estándar determinada . (Sin especificar un estándar de comparación, no puede haber una relación). Por ejemplo, un  transmisor de 1000 vatios que alimenta una antena con una ganancia de 4× en comparación con una antena isotrópica teórica, o aproximadamente 6  dBi, irradiará la misma potencia en la dirección de su lóbulo principal, y por lo tanto la misma PIRE, que un  transmisor de 4000 vatios que alimenta la antena isotrópica teórica irradia en todas las direcciones por igual. Así pues, la PIRE y la PRE son medidas de potencia radiada que permiten comparar diferentes combinaciones de transmisores y antenas en igualdad de condiciones.

A pesar de su nombre, la PRE y la PIRE no miden la potencia del transmisor ni la potencia total irradiada por la antena; simplemente miden la intensidad de la señal a lo largo del lóbulo principal. No proporcionan información sobre la potencia irradiada en otras direcciones ni sobre la potencia total. La PRE y la PIRE siempre son mayores que la potencia total real irradiada 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, ambas teóricas; una antena isotrópica y un dipolo de media onda (perfecto, sin pérdidas) :

• La ganancia isotrópica es la relación de la densidad de potencia (intensidad de la señal, en potencia por área) recibida en un punto alejado de la antena (es decir, en su campo lejano ) en la dirección de su máxima radiación (es decir, su lóbulo principal),${\displaystyle \ S_{\mathsf {max}}\ }$, a la densidad de potencia recibida en el mismo punto de una hipotética antena isotrópica sin pérdidas , que irradia por igual en todas las direcciones,${\displaystyle \ S_{\mathsf {max,iso}}\ }$:$${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {i}}={\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,iso}}\ }}\ }$$La ganancia se suele expresar en unidades logarítmicas de decibelios (dB). La ganancia relativa a una antena isotrópica y expresada en decibelios, dB _i , viene dada por

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

• La ganancia de un dipolo es la relación entre la densidad de potencia (intensidad de la señal, en potencia por área) recibida en un punto alejado de la antena (es decir, en su campo lejano ) en la dirección de su máxima radiación (es decir, su lóbulo principal),${\displaystyle \ S_{\mathsf {max}}\ }$, a la densidad de potencia recibida en el mismo punto de una hipotética antena dipolo de media onda sin pérdidas ,${\displaystyle S_{\mathsf {max,dipolo}}}$:$${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {d}}={\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,dipole}}\ }}\ }$$La ganancia relativa a una antena dipolo de media onda, expresada en decibelios (dB ₎ , viene dada por:$${\displaystyle \ \mathrm {G} _{\mathsf {(dB_{d})}}=10\ \log _{10}\left({\frac {\ S_{\mathsf {max}}\ }{\ S_{\mathsf {max,dipole}}\ }}\right)\ }$$

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, disminuyendo a cero en el eje de la antena. Dado que la radiación del dipolo se concentra en direcciones horizontales (suponiendo que el eje de la antena es vertical), 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 de aproximadamente 1,64, o, en decibelios,${\displaystyle \ 10\ \log _{10}(1.64)\approx 2.15\ {\mathsf {dB}}\ ,}$entonces $${\displaystyle \ G_{\mathsf {i}}\approx 1.64\ G_{\mathsf {d}}~.}$$ En decibelios $${\displaystyle \ G_{\mathsf {(dB_{i})}}\approx G_{\mathsf {(dB_{d})}}+2.15\ {\mathsf {dB}}~.}$$

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

• La EIRP se define como la potencia RMS de entrada requerida a una antena isotrópica teórica sin pérdidas para irradiar la misma densidad de potencia máxima lejos de la antena que la que irradian el transmisor y la antena reales en la dirección de mayor potencia (es decir, el lóbulo principal). Es igual a la potencia de entrada a la antena del transmisor multiplicada por la ganancia de la antena en relación con la isotrópica.$${\displaystyle \ \mathrm {EIRP} =G_{\mathsf {i}}\ P_{\mathsf {in}}~.}$$La potencia radiada efectiva (PRE) y la potencia radiada isotrópica efectiva (PRI) también se expresan a menudo en decibelios (dB). La potencia de entrada en decibelios se calcula generalmente comparándola con un nivel de referencia de un vatio (W):${\displaystyle \ P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}=10\ \log _{10}P_{\mathsf {in}}~.}$Dado que la multiplicación de dos factores es equivalente a la suma de sus valores en decibelios.$${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=G_{\mathsf {(dB_{i})}}+P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}\ }$$

• La ERP se define como la potencia RMS de entrada requerida a un dipolo de media onda teórico 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 relativa a un dipolo de media onda (teórico, perfecto y sin pérdidas).$${\displaystyle \ {\mathsf {ERP}}=G_{\mathsf {d}}\ P_{\mathsf {in}}~.}$$En decibelios$${\displaystyle \ {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}=G_{\mathsf {(dB_{d})}}+P_{{\mathsf {in}}\ {\mathsf {(dB_{W})}}}~.}$$

Dado que las dos definiciones de ganancia solo difieren en un factor constante, también lo hacen ERP y EIRP. $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(W)}}\aproximadamente 1,64\times {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(W)}}~.}$$ En decibelios $${\displaystyle \ {\mathsf {EIRP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}\approx {\mathsf {ERP}}_{\mathsf {(dB_{W})}}+2,15\ {\mathsf {dB}}~.}$$

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

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

Sin embargo, si las ondas de radio viajan por onda terrestre , como es típico en la radiodifusión de onda media o larga, o si intervienen ondas ionosféricas o indirectas en la transmisión, las ondas sufrirán una atenuación adicional que depende del terreno entre las antenas, por lo que estas fórmulas no son válidas.

Dado que la potencia radiada efectiva (PRE) 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 virtual matemáticamente orientada hacia el receptor. En otras palabras, un receptor hipotético situado en una dirección determinada desde el transmisor recibiría la misma potencia si la fuente se sustituyera por un dipolo ideal orientado con directividad máxima y polarización adaptada hacia el receptor, y con una potencia de entrada de antena igual a la PRE. El receptor no podría percibir la diferencia. La directividad máxima de un dipolo de media onda ideal es constante, es decir, 0 dB _d = 2,15 dB _i . Por lo tanto, la PRE siempre es 2,15  dB menor que la PIRE. La antena dipolo ideal podría sustituirse además por un radiador isotrópico (un dispositivo puramente matemático que no puede existir en el mundo real), y el receptor no percibiría la diferencia siempre que la potencia de entrada aumente en 2,15  dB.

La distinción entre dB _d y dB _i a menudo no se indica y el lector a veces se ve obligado a inferir cuál se usó. 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 está construida a partir de dipolos, a menudo su ganancia de antena se expresa en dB _d , pero se lista 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 usar 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 por debajo del ideal en η en dB. Suponiendo que el receptor se encuentra 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 punto a lo largo de la dirección del lóbulo lateral desde este transmisor, un receptor ciego no podría distinguir la diferencia si una Yagi-Uda se reemplazara por un dipolo ideal (orientado hacia el receptor) o por un radiador isotrópico con una potencia de entrada de antena aumentada en 1,57  dB. ^{[ 5 ]}

Hasta ahora no se ha tenido en cuenta la polarización, pero es necesario aclararla adecuadamente. Al considerar el radiador dipolo anteriormente, asumimos que estaba perfectamente alineado con el receptor. Ahora, supongamos que la antena receptora tiene polarización circular, 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 manera que, teóricamente, no se reciba energía. Sin embargo, esta pérdida de polarización no se considera en el cálculo de la potencia radiada efectiva (PRE) ni de la potencia radiada isotrópica equivalente (PIRE). 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 terminal móvil debe funcionar correctamente en cualquier orientación. Por lo tanto, el diseño del terminal podría proporcionar recepción de doble polarización para maximizar la energía capturada independientemente de la orientación, o bien el diseñador podría usar una antena de polarización circular y compensar la pérdida adicional  de 3 dB con amplificación.

Por ejemplo, una emisora ​​de radio FM que anuncia una potencia de 100 000 vatios en realidad tiene una potencia radiada efectiva (ERP) de 100 000 vatios, y no un transmisor real de 100 000 vatios. La potencia de salida del transmisor (TPO) de dicha emisora ​​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 antenas, la ganancia se consigue principalmente concentrando la potencia en el plano horizontal y suprimiéndola en ángulos ascendentes y descendentes, mediante el uso de conjuntos de antenas en fase . La distribución de potencia en función del ángulo de elevación se conoce como patrón vertical . Cuando una antena también es direccional horizontalmente, la ganancia y la ERP varían con el acimut ( dirección de la brújula ). En lugar de la potencia promedio en todas las direcciones, la potencia radiada efectiva (PRE) de una estación se mide en la dirección del pico del lóbulo principal de la antena (esta afirmación es simplemente otra forma de definir la PRE). Esto se aplica especialmente a las elevadas PRE que se registran para las emisoras de onda corta , que utilizan haces muy estrechos para transmitir sus señales a través de continentes y océanos.   

En la mayoría de los sistemas de microondas , se utiliza como antena de referencia una antena isotrópica completamente no direccional (que irradia de forma uniforme y perfecta en todas las direcciones , algo físicamente imposible), y en ese caso se habla de PIRE ( potencia radiada isotrópica efectiva ) en lugar de PRE. Esto incluye transpondedores satelitales , radares y otros sistemas que utilizan antenas parabólicas y reflectores de microondas en lugar de antenas dipolo.

En el caso de las estaciones de onda media (AM) en Estados Unidos , los límites de potencia se establecen según la potencia real de salida del transmisor, y la potencia radiada efectiva (ERP) no se utiliza en los cálculos habituales. Las antenas omnidireccionales que utilizan varias estaciones irradian la señal por igual en todas las direcciones horizontales. Los conjuntos de antenas direccionales se utilizan para proteger a las estaciones que comparten o están en canales adyacentes, generalmente de noche, aunque algunos funcionan de forma direccional continua. Si bien la eficiencia de la antena y la conductividad del terreno se tienen en cuenta al diseñar dichos conjuntos, la base de datos de la FCC muestra la potencia de salida del transmisor de la estación, no la ERP.

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

La altura sobre el terreno promedio para frecuencias VHF y superiores es extremadamente importante al considerar la potencia radiada efectiva (PRE), ya que la cobertura de la señal ( alcance de transmisión ) producida por una PRE determinada aumenta drásticamente con la altura de la antena. Por ello, es posible que una estación con una PRE de tan solo unos cientos de vatios cubra un área mayor que una estación con una PRE de varios miles de vatios, si su señal supera los obstáculos en el suelo.

• Potencia nominal (radiodifusión)
• Lista de clases de estaciones de radiodifusión norteamericanas