FCC、ETSI、ISM の制限内での EIRP の計算

EIRPが思っている以上に重要な理由

RF システムを設計し、優れたアンテナを選んだら、すべてがベンチで機能するようになりました。すると誰かがこう尋ねます。「私たちは準拠していますか？」 そして突然、FCC Part 15.247 や ETSI EN 300 328 を調べて、自分の実効放射電力が合法かどうかを調べようとしているのです。

ここで重要なのは、規制機関はトランスミッタの出力電力を単独では気にしないということです。彼らは実際に自由空間に何が放射されているかを気にかけています。つまり、PA 出力とアンテナの遠方界の間のゲインと損失の dB をすべて考慮に入れるということです。すべてのコネクタ、すべての同軸ケーブル、すべてのアンテナゲイン。そこで EIRP と ERP の出番です。認証に合格することと RF チェーン全体を再設計することの違いは、それらを正しく行うことです。

私が一緒に仕事をしたほとんどのエンジニアは、これをプロジェクト終了時のチェックボックスとして扱っています。悪い考えだこれらの数値は早めに計算する必要があります。理想的には、選択するアンテナを絞り込んだり、特定の送信電力レベルを設定したりする前です。コンプライアンス前のテストで、チームが限界値を 6 dB 超えていることに気付くのを見てきました。これは、調べるには最悪のタイミングです。その時点で、PA の再設計、アンテナ (およびおそらくエンクロージャー) の交換、リンク予算を無駄にする減衰器の追加など、選択肢はすべて高価になります。

では、数学を分解して実際の例を見ていき、コンプライアンスマージンを迅速に判断する方法、または違法な領域に入る前に使用できる最大アンテナゲインを算出する方法を示しましょう。

EIRP と ERP の違い:定義を明確にしましょう

これら 2 つの用語は常に混同されるので、混同すると 2.15 dB のマージンがかかる可能性があります。限界に達すると、それが準拠と非準拠の違いになります。

EIRP (実効等方性放射電力) は、最大ゲインの方向で実際のアンテナと同じピーク電力密度を得るために、等方性アンテナ (理論上は全方向に均等に放射される点光源) から放射される必要がある総電力です。計算は簡単です。トランスミッタの出力電力から、PA とアンテナ給電点の間のすべての損失を引き、等方性を基準としたアンテナゲインを加算します。十分にシンプルです。 ERP (有効放射電力) は、等方性放熱器の代わりに半波長ダイポールを基準として使用します。実際のダイポールのゲインは等方性ダイポールより2.15 dBiなので (方向性があって、完全な球体ではありません)、関係は次のようになります。または、dBd (ダイポールのゲイン) でアンテナゲインを直接指定して作業する場合:最新のアンテナデータシートのほとんどはゲインを dBi 単位で指定しているため、通常は最初の形式の方が便利です。しかし、特にVHF/UHFの分野では、まだdBdを使用している古い仕様や放送規格に出くわすことがあります。 キーポイント: FCC Part 15 の制限は EIRP (等方性基準) で規定されていますが、古い規制や放送規格の中には ERP を使用しているものもあります。規制機関がどの基準を要求しているかを必ず確認してください。間違ったものだと仮定すると、認証に失敗しやすくなります。

実際に使用された例:FCC パート 15 に基づく 2.4 GHz Wi-Fi アクセスポイント

米国市場向けに 2.4 GHz アクセスポイントを設計しているとしましょう。FCC パート 15.247 では、2.4 GHz ISM 帯域の周波数ホッピングシステムおよびデジタル変調システムの最大 EIRP が §7 § (4 W) と規定されています。これは実際にはかなり寛大です。FCC は、この帯域が混雑していることを知っていて、それなりの通信範囲を求めています。

システム予算は次のとおりです。

-送信電力: 無線 IC 出力における送信電力:**$20 \text{ dBm}$(100 mW) -ケーブルとコネクタの損失:$2.5 \text{ dB}$(ショートピグテール + U.FL コネクタ + SMA バルクヘッド) -アンテナゲイン:$9 \text{ dBi}$(控えめなパネルアンテナ)

これらの数値は、小規模企業の AP やまともな屋外ユニットでは一般的なものです。エキゾチックなものは何もない。

ステップ 1 — EIRP の計算:ステップ 2 — ERP の計算 (FCC は EIRP を使用していますが、参考までに): これは FCC コンプライアンスのために厳密には必要ありませんが、ERP 制限を指定する市場をターゲットにしている場合や、古い機器仕様と比較する場合に役立ちます。 ステップ3 — 規制上のマージンの決定:9.5 dB の余裕があれば FCC の制限範囲内です。これは快適な環境です。十分な余裕があるので、認定試験中に部品の公差や測定の不確かさに悩まされることはありません。 ステップ 4 — アンテナゲインの最大許容値を求める:

さて、質問をひっくり返しましょう。限界まで挑戦したい場合（たとえば、すべてのdBの範囲が必要なポイントツーポイントリンクの場合）、合法的に使用できる最大のアンテナはどれですか？

そのため、最大18.5 dBiのアンテナ（小さなパラボラディッシュや高ゲインのセクターパネルなど）を使用でき、それでもコンプライアンスを維持できます。これはかなりのアンテナです。実際には、ここで規制上の制限に達する前に、おそらく機械的な制約やコスト上の制約にぶつかるでしょう。しかし、上限がどこにあるかを知っておくのは良いことです。

この計算は、方向リンクを設計する場合に特に役立ちます。5 km のポイントツーポイント撮影を行う場合は、法律で許容される範囲でアンテナゲインを大きくする必要があります。最大許容ゲインがわかれば、推測せずに賢くアンテナを購入できます。

さまざまな規制制度への対応

国際市場向けに設計する場合、興味深い点は次のとおりです。同じハードウェアでも、ある地域では完全に合法でも、別の地域ではまったく準拠していない場合があります。これによって、チームが不意を突かれるのを数えきれないほど何度も見てきました。

先ほど分析したのと同じシステム ($P_{TX} = 20 \text{ dBm}$、$L_{cable} = 2.5 \text{ dB}$、$G = 9 \text{ dBi}$、EIRP = 26.5 dBm) をさまざまな規制の枠組みで考えてみます。

\ * 同じ電力バジェットの仮説上の 433 MHz バージョンを仮定します。

ETSI の制限を見てください。6.5 dB オーバーになりました。欧州規格に準拠するには、TX電力を$13.5 \text{ dBm}$に下げるか、$2.5 \text{ dBi}$のアンテナ（基本的には単純なPCBアンテナか短いモノポール）に下げる必要があります。これはリンク予算に大きな打撃を与えます。多くの Wi-Fi 製品には、特にこれを処理するために、地域ごとに異なるファームウェアが付属しており、ETSI ルールに基づいて動作する場合は PA 出力をダイヤルバックします。

433 MHz ISM 帯域（IoT やテレメトリに共通）では、その送信電力での最大アンテナ利得が$7.5 \text{ dBi}$になります。もっと現実的には、その帯域でははるかに低い TX 電力（10 dBm など）を使用し、適度なアンテナを使用します。433 MHz 帯域は 2.4 GHz よりも輻輳が強く、伝搬性が高いため、制限が厳しくなります。

これはまさに、アンテナや RF フロントエンドアーキテクチャに着手する前に、設計の早い段階で行う必要がある分析です。これについてはいくら強調しても足りません。認定ラボで制限値を 6 dB 超えていることに気付くのは、費用のかかる教訓です。別のボードスピン、新しいアンテナ、再認定料、スケジュールスリップを見ることになります。まだ回路図段階にあるときに数値を実行してください。

よくある落とし穴

ケーブルの紛失を忘れることはあなたに有利に働きます。 これは人をつまずかせます。送信機とアンテナの間の損失により、EIRPが低下します。つまり、ケーブルの配線が長くなったり、コネクタが増えたりすると、実際には高ゲインのアンテナ用のスペースを確保できます。直感に反するように聞こえますが、これは正当な設計レバーです。

とはいえ、避けられるならわざと損失を足してはいけません。確かに送信時のコンプライアンスには役立ちますが、受信感度も同じ程度低下します。高損失で巨大なアンテナよりも、低損失で合法的なアンテナゲインを使用するほうがよいでしょう。リンク予算はきっとご満足いただけるでしょう。

dBi と dBi がわかりにくい「ゲインが 6 dB」のアンテナは、$6 \text{ dBi}$または$6 \text{ dBd}$(つまり$8.15 \text{ dBi}$) である可能性があります。この 2.15 dB の差は、限界を超える可能性があります。この間違いは量産設計で見たことがあります。データシートを読むときは必ずリファレンスを確認し、指定されていない場合は最新の標準であるdBiを想定してください。 アンテナのゲイン許容誤差は無視してください アンテナのデータシートに$9 \pm 1 \text{ dBi}$と記載されている場合、最悪の場合の EIRP 計算には$10 \text{ dBi}$を使用する必要があります。認証機関は最悪のシナリオをテストします。彼らはあなたの典型的なパフォーマンスには興味がありません。すべてが間違った方向に積み重なったときに何が起こるかを知りたいのです。製造時のばらつきは実在しますが、±1 dB の許容誤差があるのには理由があります。 TX電力許容誤差は考慮していません 同様に、無線の出力電力が温度や電源電圧によって$\pm 1.5 \text{ dB}$変動する可能性がある場合は、その上限値をコンプライアンス計算に使用してください。PAは、暑い日に新しいバッテリを使用すると21.5 dBmを出力する場合があり、テストラボではそれを把握できます。PA の温度係数を誰もチェックしなかったため、室温では正常に動作していた無線が、極端な温度では故障するのを見たことがあります。

「屋内のみ」は抜け穴だと仮定します。 一部のチームは、自社製品を屋内専用とマークすることで限界を回避できると考えています。そんなふうには機能しません。EIRP の制限は、意図するユースケースに関係なく適用されます。FCC は、高ゲインアンテナを屋外で誰も使用しないと断言しても気にしません。

試してみてください

コンプライアンスが危機に瀕しているときは、ナプキンの裏側でこの計算をしないでください。EIRP/ERP 規制計算ツールを開く で TX 電力、ケーブル損失、アンテナゲインを差し込むと、EIRP、ERP、規制マージン、FCC、ETSI、ISM の制限に対する最大許容アンテナゲインがすぐにわかります。これは、テストチャンバーの近くに着く前に RF チェーンの健全性をチェックする最速の方法です。

電卓はすべての変換を処理し、現在の状況を明確に把握できます。早い段階で使用し、頻繁に使用することで、簡単に修正できない場合にコンプライアンス上の問題を発見する手間を省くことができます。