通信における信号強度

電気通信^[1]、特に無線周波数工学において、信号強度は、送信アンテナから離れた場所にある基準アンテナで受信される送信電力出力を指します。放送で使用されるような高出力の送信は、 dB -ミリボルト毎メートル (dBmV/m)で表されます。携帯電話などの非常に低出力のシステムの場合、信号強度は通常、dB -マイクロボルト毎メートル (dBμV/m)、または1ミリワットの基準レベルを超えるデシベル( dBm ) で表されます。放送用語では、1 mV/m は 1000 μV/m または 60 dBμ (dBu と表記されることが多い) です。

例

• 100 dBμまたは100 mV/m:一部の受信機ではブランケット干渉が発生する場合があります
• 60 dBμまたは1.0 mV/m:北米では無線局の保護区域の境界とみなされることが多い
• 40 dBμまたは0.1 mV/m: ほとんどの受信機で許容できる品質で放送局を受信できる最小の強度

特定の点における電界強度は、送信アンテナに供給される電力、アンテナの形状、放射抵抗から決定できます。自由空間における中央給電半波長ダイポールアンテナの場合を考えてみましょう。ここで、全長 L は半波長 (λ/2) に等しくなります。薄い導体で構成されている場合には、電流分布は基本的に正弦波であり、放射電界は次のように表されます。

${\displaystyle E_{\theta }(r)={-jI_{\circ } \over 2\pi \varepsilon _{0}c\,r}{\cos \left(\scriptstyle {\pi \over 2}\cos \theta \right) \over \sin \theta }e^{j\left(\omega t-kr\right)}}$

ここで、はアンテナ軸と観測点へのベクトルとの間の角度、は給電点におけるピーク電流、は自由空間の誘電率、は真空中の光速、はアンテナまでの距離（メートル）である。アンテナを横から見ると（）、電界は最大となり、次のように表される 。${\displaystyle \scriptstyle {\theta}}$${\displaystyle \scriptstyle {I_{\circ}}}$${\displaystyle \scriptstyle {\varepsilon _{0}\,=\,8.85\times 10^{-12}\,F/m}}$${\displaystyle \scriptstyle {c\,=\,3\times 10^{8}\,m/s}}$${\displaystyle \scriptstyle {r}}$${\displaystyle \scriptstyle {\theta \,=\,\pi /2}}$

${\displaystyle \vert E_{\pi /2}(r)\vert ={I_{\circ } \over 2\pi \varepsilon _{0}c\,r}\,.}$

この式をピーク電流について解くと、

${\displaystyle I_{\circ}=2\pi \varepsilon _{0}c\,r\vert E_{\pi /2}(r)\vert \,.}$

アンテナへの平均電力は

${\displaystyle {P_{avg}={1 \over 2}R_{a}\,I_{\circ }^{2}}}$

ここで、はセンター給電半波長アンテナの放射抵抗である。の式をの式に代入し、最大電界を解くと、次の式が得られる。 ${\displaystyle \scriptstyle {R_{a}=73.13\,\Omega }}$${\displaystyle \scriptstyle {I_{\circ}}}$${\displaystyle \scriptstyle {P_{平均}}}$

${\displaystyle \vert E_{\pi /2}(r)\vert \,=\,{1 \over \pi \varepsilon _{0}c\,r}{\sqrt {P_{avg} \over 2R_{a}}}\,=\,{9.91 \over r}{\sqrt {P_{avg}}}\quad (L=\lambda /2)\,.}$

したがって、半波長ダイポールアンテナへの平均電力が 1 mW の場合、313 m (1027 フィート) での最大電界は 1 mV/m (60 dBμ) になります。

短い双極子（）の場合、電流分布はほぼ三角形になります。この場合、電界と放射抵抗は ${\displaystyle \scriptstyle {L\ll \lambda /2}}$

${\displaystyle E_{\theta }(r)={-jI_{\circ }\sin(\theta ) \over 4\varepsilon _{0}c\,r}\left({L \over \lambda }\right)e^{j\left(\omega t-kr\right)}\,,\quad R_{a}=20\pi ^{2}\left({L \over \lambda }\right)^{2}.}$

上記と同様の手順を用いると、センター給電短ダイポールの最大電界は

${\displaystyle \vert E_{\pi /2}(r)\vert \,=\,{1 \over \pi \varepsilon _{0}c\,r}{\sqrt {P_{avg} \over 160}}\,=\,{9.48 \over r}{\sqrt {P_{avg}}}\quad (L\ll \lambda /2)\,.}$

携帯電話の基地局タワー ネットワークは世界中の多くの国に広がっていますが、それらの国でも受信状態がよくない地域がまだたくさんあります。携帯電話のタワーを建てる費用は、顧客が少数しかいないのに高すぎるため、田舎の地域では効果的にカバーされる可能性は低いでしょう。信号強度が高い地域でも、地下室や大きな建物の内部では受信状態が悪いことがよくあります。

信号強度が弱くなる原因としては、都市部のローカル タワーからの信号が干渉して破壊的な影響が出る場合や、一部の建物で使用されている建築材料によって信号強度が大幅に減衰する場合などがあります。倉庫、病院、工場などの大きな建物では、外壁から数メートル以上離れた場所では信号が使用できないことがよくあります。

これは、特に高周波数で動作するネットワークに当てはまります。高周波数で動作するネットワークは、反射や回折を利用して障害物を回避できるものの、介在する障害物によって減衰が大きくなります。

アクティブRFID タグの推定受信信号強度は、次のように推定できます。

${\displaystyle \mathrm {dBm_{e}} =-43.0-40.0\ \log _{10}\left({\frac {r}{R}}\right)}$

一般的に、経路損失指数を考慮することができます：^[2]

${\displaystyle \mathrm {dBm_{e}} =-43.0-10.0\ \gamma \ \log _{10}\left({\frac {r}{R}}\right)}$

実効パス損失は、周波数、地形、環境条件 によって異なります。

実際には、任意の距離 r ₀における既知の信号電力dBm ₀を基準として使用できます。

${\displaystyle \mathrm {dBm_{e}} =\mathrm {dBm} _{0}-10.0\ \gamma \ \log _{10}\left({\frac {r}{r_{0}}}\right)}$

${\displaystyle \log_{10}(R/r)}$10 年あたりのパス損失の平均値が 40 dB/10 年であることと一致する、10 年あたりのパス損失の推定値が得られます。

セル距離rと受信電力dBm _{m の}ペアを測定すると、平均セル半径を次のように推定できます。

${\displaystyle R_{e}=\operatorname {avg} [\ r\ 10^{(\mathrm {dBm_{m}} +43.0)/40.0}\ ]}$

地元の状況や無線機器のパラメータ、さらに反射が発生しない限りモバイル無線信号が見通し内伝播することを考慮して、新しい携帯電話基地局の位置を計画するための特殊な計算モデルが存在します。

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