FCC, ETSI, ISM 한도 내에서 EIRP 계산

EIRP가 생각보다 중요한 이유

RF 시스템을 설계하고, 멋진 안테나를 선택했고, 벤치에서 모든 것이 작동합니다.그러면 누군가 이렇게 묻습니다. "우리는 규정을 준수하고 있나요?” 그리고 갑자기 FCC 파트 15.247이나 ETSI EN 300 328을 샅샅이 뒤져 유효 복사 전력이 합법적인지 여부를 알아내려고 하시게 됩니다.

문제는 다음과 같습니다. 규제 기관은 송신기 출력 전력을 단독으로 신경 쓰지 않습니다.그들은 실제로 어떤 물질이 자유 공간으로 방사되는지에 신경을 씁니다.즉, PA 출력과 안테나의 원거리 필드 사이의 모든 dB의 이득과 손실을 고려해야 합니다.모든 커넥터, 동축 케이블의 모든 인치, 모든 안테나 게인.EIRP와 ERP가 필요한 이유가 바로 이것입니다. 인증을 통과하는 것과 전체 RF 체인을 재설계하는 것을 가르는 것은 바로 EIRP와 ERP입니다.

저와 함께 일해본 대부분의 엔지니어들은 프로젝트 종료 시 이를 체크박스로 여깁니다.잘못된 생각이에요.이러한 수치는 일찍 계산해야 합니다. 안테나 선택을 확정하거나 특정 전송 전력 수준을 설정하기 전에 설정하는 것이 좋습니다.사전 컴플라이언스 테스트에서 한계치를 6dB 초과했다는 사실을 발견한 팀들을 본 적이 있는데, 이를 알아내기에는 최악의 시기라고 할 수 있습니다.이 시점에서는 PA를 재설계하거나, 안테나 (및 아마도 인클로저) 를 교체하거나, 링크 예산을 낭비하는 감쇠기를 추가하는 등 옵션은 모두 비용이 많이 듭니다.

이제 계산을 세분화하고 실제 사례를 살펴보면서 규정 준수 마진을 신속하게 결정하는 방법 또는 불법 영역에 들어가기 전에 사용할 수 있는 최대 안테나 게인을 파악하는 방법을 보여 드리겠습니다.

EIRP와 ERP 비교: 정의 명확화

이 두 용어를 계속 혼동하기 때문에 혼동하면 2.15dB의 마진이 발생할 수 있습니다.한계에 다다랐을 때, 이것이 바로 규정 준수와 비준수의 차이입니다.

EIRP (유효 등방성 방사 전력) 는 등방성 안테나 (모든 방향으로 동일하게 방사하는 이론적 포인트 소스) 가 최대 게인 방향으로 실제 안테나와 동일한 피크 전력 밀도를 생성하기 위해 방사해야 하는 총 전력입니다.계산은 간단합니다.송신기 출력 전력을 가져와서 PA와 안테나 피드 포인트 사이의 모든 손실을 뺀 다음 등방성을 기준으로 한 안테나 게인을 더합니다.아주 간단합니다. ERP (유효 방사 전력) 는 등방성 라디에이터 대신 반파장 쌍극자를 기준으로 사용합니다.실제 쌍극자의 이득은 등방성 대비 2.15dBi이므로 (완전한 구가 아니라 방향성이 있음) 관계는 다음과 같습니다.또는 dBD 단위로 지정된 안테나 게인 (쌍극자를 통한 게인) 으로 직접 작업하는 경우:대부분의 최신 안테나 데이터시트는 게인을 dBi 단위로 지정하므로 일반적으로 첫 번째 형식이 더 편리합니다.하지만 특히 VHF/UHF 분야에서는 여전히 dBD를 사용하는 구형 사양이나 방송 표준을 접하는 경우가 종종 있습니다. 요점: FCC Part 15 제한은 EIRP (등방성 참조) 에 명시되어 있지만 일부 오래된 규정 및 방송 표준에서는 ERP를 사용합니다.규제 기관이 어떤 레퍼런스를 요구하는지 항상 확인하십시오.잘못된 것으로 가정하는 것은 인증에 실패할 수 있는 쉬운 방법입니다.

실제 사례: FCC 규정에 따른 2.4GHz Wi-Fi 액세스 포인트 파트 15

미국 시장을 위한 2.4GHz 액세스 포인트를 설계한다고 가정해 보겠습니다.FCC 파트 15.247은 2.4GHz ISM 대역의 주파수 호핑 및 디지털 변조 시스템에 대해$36 \text{ dBm}$(4W) 의 최대 EIRP를 허용합니다.이는 사실 꽤 넉넉한 수치입니다. FCC는 이 대역이 혼잡하다는 것을 알고 있으며 적절한 범위를 원합니다.

시스템 예산은 다음과 같습니다.

• 송신 전력: 무선 IC 출력에서의 송신 전력: **$20 \text{ dBm}$(100mW)
• 케이블 및 커넥터 손실: $2.5 \text{ dB}$(쇼트 피그테일 + U.FL 커넥터 + SMA 벌크헤드)
• 안테나 게인: $9 \text{ dBi}$(적당한 패널 안테나)

이 수치는 중소기업용 AP나 괜찮은 실외기에 일반적으로 사용됩니다.이색적인 것은 없습니다. 1단계 — EIRP 계산: 2단계 — ERP 계산 (FCC에서 EIRP를 사용하지만 참고로) :FCC 규정 준수를 위해 반드시 필요한 것은 아니지만 ERP 제한을 지정하는 시장을 목표로 하거나 구형 장비 사양과 비교하려는 경우에는 유용합니다. 3단계 — 규제 마진 결정: 9.5dB의 여유 공간이 제공되므로 FCC 한도 이내입니다.인증 테스트 기간 동안 부품 허용 오차와 측정 불확실성이 영향을 받지 않을 정도로 공간이 충분하기 때문에 안심할 수 있는 곳입니다. 4단계 — 최대 허용 안테나 게인 찾기:

이제 질문을 뒤집어 보겠습니다.한계까지 밀어붙이고 싶다면 (예를 들어 모든 dB의 범위가 필요한 포인트-투-포인트 링크의 경우) 합법적으로 사용할 수 있는 가장 큰 안테나는 무엇입니까?

따라서 최대 18.5dBi 안테나 (작은 포물선형 접시나 하이 게인 섹터 패널) 를 사용하면서도 여전히 규정을 준수할 수 있습니다.이는 상당한 규모의 안테나입니다.실제로 규제 한도에 도달하기 전에 기계적 제약이나 비용적 제약에 부딪힐 수 있습니다.하지만 한도가 어디인지 아는 것이 좋습니다.

이 계산은 방향 링크를 설계할 때 특히 유용합니다.5km 포인트-투-포인트 샷을 촬영하는 경우 법에서 허용하는 만큼의 안테나 게인이 필요합니다.최대 허용 게인을 알면 추측에 의존하지 않고 지능적으로 안테나를 구매할 수 있습니다.

다양한 규제 체제 살펴보기

국제 시장을 겨냥한 디자인을 할 때 흥미로운 점은 다음과 같습니다.동일한 하드웨어가 한 지역에서는 완벽하게 합법적이지만 다른 지역에서는 크게 규정을 준수하지 않을 수 있습니다.이런 상황으로 인해 팀들이 방심하는 모습을 셀 수 없을 만큼 많이 봤어요.

방금 분석했던 것과 동일한 시스템 ($P_{TX} = 20 \text{ dBm}$,$L_{cable} = 2.5 \text{ dB}$,$G = 9 \text{ dBi}$, EIRP = 26.5dBm) 을 다양한 규제 프레임워크에서 살펴보겠습니다.

\ * 동일한 전력 사용량을 433MHz 버전으로 가정했을 때

ETSI 한도를 보세요.6.5dB가 넘었네요.유럽 규정을 준수하려면 TX 전력을$13.5 \text{ dBm}$수준으로 낮추거나$2.5 \text{ dBi}$안테나 (기본적으로 단순한 PCB 안테나 또는 짧은 모노폴) 로 줄여야 합니다.이는 링크 예산에 상당한 타격입니다.많은 Wi-Fi 제품은 특히 이러한 문제를 처리하기 위해 지역마다 다른 펌웨어와 함께 제공되므로 ETSI 규칙에 따라 작동할 때 PA 출력을 다시 다이얼백합니다.

433MHz ISM 대역 (IoT 및 텔레메트리에 공통) 의 경우 해당 전송 전력에 따른$7.5 \text{ dBi}$최대 안테나 이득을 볼 수 있습니다.좀 더 현실적으로 말하자면, 해당 대역에서 10dBm 정도로 훨씬 낮은 TX 전력을 사용하고 적당한 안테나를 사용한다는 뜻입니다.433MHz 대역은 2.4GHz보다 더 혼잡하고 더 잘 전파되기 때문에 제한이 더 엄격합니다.

안테나 또는 RF 프론트엔드 아키텍처를 사용하기 전에 설계 초기에 수행해야 하는 분석과 정확히 같습니다.이 점은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다.인증 연구소에서 한도를 6dB 초과했다는 사실을 알게 되면 비용이 많이 듭니다. 보드 교체, 새 안테나, 재인증 비용, 일정 명세서 등을 살펴봐야 하기 때문입니다.아직 개략도 단계에 있을 때 수치를 계산해 보세요.

흔히 범하는 함정

케이블 분실을 잊어버리면 도움이 됩니다. 이로 인해 사람들이 위험에 빠질 수 있습니다.송신기와 안테나 사이의 손실은 EIRP를 감소시킵니다.즉, 케이블 길이가 길거나 커넥터를 추가하면 실제로 더 높은 게인 안테나를 설치할 공간이 생깁니다.직관에 어긋나는 것처럼 들리지만, 설계상의 지렛대라 할 수 있습니다.

그렇긴 하지만, 피할 수 있다면 일부러 손실을 더하지 마세요.네, 전송 컴플라이언스에 도움이 되지만 수신 감도도 같은 수준으로 떨어집니다.손실이 적고 안테나 게인이 합법적인 편이 손실이 크고 안테나가 큰 것보다 낫습니다.링크 예산이 충분할 것입니다.

dBi와 dBi를 혼동하고 있습니다. “6dB 게인” 안테나는$6 \text{ dBi}$또는$6 \text{ dBd}$($8.15 \text{ dBi}$) 일 수 있습니다.2.15dB 차이로 인해 한도를 넘을 수 있습니다.프로덕션 디자인에서 이런 실수를 본 적이 있어요.데이터시트를 읽을 때는 항상 참조를 확인하고, 명시되지 않은 경우에는 dBi가 현대 표준이기 때문에 dBi로 간주하세요. 안테나 게인 허용 오차 무시 안테나 데이터시트에$9 \pm 1 \text{ dBi}$이라고 적혀 있다면 최악의 경우 EIRP 계산에서는$10 \text{ dBi}$명령을 사용해야 합니다.인증 기관은 최악의 시나리오를 테스트합니다.그들은 일반적인 성과에는 관심이 없습니다. 그들은 모든 것이 잘못된 방향으로 쌓이면 어떤 일이 벌어지는지 알고 싶어합니다.제조 변동은 현실이며, ±1dB 허용 오차가 존재하는 데에는 이유가 있습니다. TX 전력 허용 오차는 고려하지 않습니다. 마찬가지로 라디오의 출력 전력이 온도 및 공급 전압에 따라$\pm 1.5 \text{ dB}$차이가 날 수 있는 경우 컴플라이언스 계산에서 상한을 사용하십시오.더운 날 새 배터리를 사용할 경우 PA가 21.5dBm을 출력할 수 있는데, 이는 테스트 실험실에서 확인할 수 있는 수치입니다.아무도 PA의 온도 계수를 확인하지 않았기 때문에 실온에서는 괜찮았지만 극한 온도에서는 무전기가 고장나는 것을 본 적이 있습니다.

'실내 전용'이라는 가정은 허점입니다. 일부 팀은 제품을 실내에서만 사용하도록 표시하면 한계를 극복할 수 있다고 생각합니다.그건 작동 방식이 아니에요.EIRP 한도는 사용 사례에 관계없이 적용됩니다.FCC는 실외에서 하이 게인 안테나를 아무도 사용하지 않을 것이라고 맹세하더라도 상관하지 않습니다.

사용해 보세요

규정 준수가 어려우면 냅킨 뒷면을 대고 이 계산을 하지 마세요.EIRP/ERP 규제 계산기 를 열어 TX 전력, 케이블 손실 및 안테나 게인을 연결하고 FCC, ETSI 및 ISM 한도에 대한 EIRP, ERP, 규제 마진 및 최대 허용 안테나 게인을 즉시 확인할 수 있습니다.테스트 챔버 근처에 도착하기 전에 RF 체인의 위생 상태를 점검할 수 있는 가장 빠른 방법입니다.

계산기가 모든 변환을 처리하므로 현재 위치를 명확하게 파악할 수 있습니다.조기에 사용하고 자주 사용하면 너무 늦어서 쉽게 해결할 수 없을 때 규정 준수 문제를 발견하는 수고를 덜 수 있습니다.