Радиомачты и башни — это, как правило, высокие конструкции, предназначенные для поддержки антенн для телекоммуникаций и вещания , включая телевидение . Существует два основных типа: оттяжные и самонесущие конструкции. Они являются одними из самых высоких искусственных сооружений. Мачты часто называют в честь вещательных организаций, которые изначально их построили или в настоящее время их используют.
Мачтовый излучатель или излучающая башня — это такая установка, в которой сама металлическая мачта или башня находится под напряжением и функционирует как передающая антенна.
Термины «мачта» и «башня» часто используются как взаимозаменяемые. Однако в терминах структурной инженерии башня — это самонесущая или консольная конструкция, в то время как мачта удерживается растяжками или тросами . [1]
Существует несколько пограничных конструкций, которые частично свободностоящие, а частично с растяжками, называемые башнями с дополнительными растяжками . Примеры:
Первые эксперименты в области радиосвязи были проведены Гульельмо Маркони, начиная с 1894 года. В 1895–1896 годах он изобрел вертикальный монополь или антенну Маркони , которая изначально представляла собой провод, подвешенный к высокому деревянному столбу. Он обнаружил, что чем выше подвешена антенна, тем дальше она может передавать, что стало первым признанием необходимости высоты антенн. Радио начало использоваться в коммерческих целях для радиотелеграфной связи около 1900 года. [2]
Первые 20 лет коммерческого радио были охвачены радиотелеграфными станциями, передающими на большие расстояния с использованием очень длинных волн в очень низкочастотном диапазоне — таких длинных волн, что они почти не используются в настоящее время. Поскольку экстремальные длины волн составляли от одного до нескольких километров, даже самые высокие возможные антенны по сравнению с ними были все еще слишком короткими, электрически , и, следовательно, имели изначально очень низкое сопротивление излучения (всего 5~25 Ом). В любой антенне низкое сопротивление излучения приводит к чрезмерным потерям мощности в окружающей ее системе заземления , поскольку антенна с низким сопротивлением не может эффективно конкурировать за мощность с землей с высоким сопротивлением. Чтобы частично компенсировать это, радиотелеграфные станции использовали огромные емкостные антенны с плоской вершиной, состоящие из горизонтальных проводов, натянутых между несколькими стальными башнями высотой 100–300 метров (330–980 футов) для повышения эффективности. [2] (стр. 77–78)
Радиовещание AM началось около 1920 года. Распределение частот средних волн для вещания повысило возможность использования одиночных вертикальных мачт без верхней нагрузки. Антенна, используемая для вещания в течение 1920-х годов, была Т-образной антенной , которая состояла из двух мачт с нагрузочными проводами наверху, натянутыми между ними, что требовало вдвое больших затрат на строительство и площади земли, чем для одиночной мачты. [2] (стр. 77–78) В 1924 году Стюарт Баллантайн опубликовал две исторические статьи, которые привели к разработке одномачтовой антенны. [2] (стр. 77–78) В первой он вывел сопротивление излучения вертикального проводника над заземляющей плоскостью . [3] (стр. 833–839) Он обнаружил, что сопротивление излучения увеличивается до максимума при длине 1 /2 длина волны , поэтому мачта примерно такой длины имела входное сопротивление , которое было намного выше сопротивления заземления, что уменьшало долю мощности передатчика, которая терялась в системе заземления без помощи емкостной верхней нагрузки. Во второй статье того же года он показал, что количество мощности, излучаемой горизонтально в земных волнах, достигало максимума на высоте мачты 5 /8 длина волны . [3] (стр. 823–832)
К 1930 году расходы на Т-образную антенну привели к тому, что вещатели приняли мачтовую излучающую антенну, в которой металлическая конструкция самой мачты функционировала как антенна. [2] (стр. 79–81) Одним из первых используемых типов была алмазная консоль или башня Блоу-Нокса . Она имела ромбоэдрическую ( ромбоэдрическую ) форму, что делало ее жесткой, поэтому требовался только один набор растяжек на ее широкой талии. Заостренный нижний конец антенны заканчивался большим керамическим изолятором в виде шарового шарнира на бетонном основании, снимая изгибающие моменты на конструкции. Первая, 665-футовая (203 м) полуволновая мачта, была установлена на 50- киловаттном передатчике радиостанции WABC в Уэйне, штат Нью-Джерси, в 1931 году. [4] [5] В 1930-х годах было обнаружено, что ромбовидная форма башни Блоу-Нокса имела неблагоприятное распределение тока, что увеличивало мощность, излучаемую под большими углами, вызывая многолучевое замирание в зоне прослушивания. [2] (стр. 79–81) К 1940-м годам индустрия вещания AM отказалась от конструкции Блоу-Нокса в пользу узкой, однородной по сечению решетчатой мачты, используемой сегодня, которая имела лучшую диаграмму направленности.
Рост популярности радио- и телевещания в диапазоне FM в 1940–1950-х годах создал необходимость в еще более высоких мачтах. Раннее вещание в диапазоне AM использовало диапазоны LF и MF , в которых радиоволны распространяются как земные волны , которые следуют контуру Земли. Волны, прижимающиеся к земле, позволяли сигналам распространяться за горизонт, на сотни километров. Однако более новые передатчики FM и TV использовали диапазон VHF , в котором радиоволны распространяются по прямой видимости , поэтому они ограничены визуальным горизонтом . Единственный способ охватить большие площади — поднять антенну достаточно высоко, чтобы она имела путь прямой видимости к ним.
До 8 августа 1991 года Варшавская радиомачта была самой высокой в мире поддерживаемой конструкцией на суше; ее обрушение оставило мачту KVLY / KTHI-TV самой высокой. В Соединенных Штатах насчитывается более 50 радиоконструкций высотой 600 м ( 1 968,5 футов ) или выше. [6]
.JPG/1280px-Russian_TV_tower_(Penza).JPG)
Стальная решетка является наиболее распространенной формой конструкции. Она обеспечивает большую прочность, малый вес и сопротивление ветру, а также экономию материалов. Решетки треугольного сечения являются наиболее распространенными, также широко используются квадратные решетки. Часто используются мачты с растяжками ; поддерживающие растяжки несут боковые силы, такие как ветровые нагрузки, что позволяет мачте быть очень узкой и простой конструкции.
При возведении в виде башни конструкция может быть параллельносторонней или сужаться на части или всей высоте. При возведении из нескольких секций, которые экспоненциально сужаются с высотой, на манер Эйфелевой башни , говорят, что башня является эйфелизированной. Примером может служить башня Crystal Palace в Лондоне .
Мачты с растяжками иногда также строятся из стальных труб. Преимущество этого типа конструкции в том, что кабели и другие компоненты могут быть защищены от погодных условий внутри трубы, и, следовательно, конструкция может выглядеть чище. Эти мачты в основном используются для FM-/TV-вещания, но иногда также в качестве излучателя мачты. Большая мачта передающей станции Mühlacker является хорошим примером этого. Недостатком этого типа мачты является то, что она гораздо больше подвержена влиянию ветра, чем мачты с открытыми корпусами. Несколько мачт с трубчатыми растяжками рухнули. В Великобритании мачты телестанций Emley Moor и Waltham рухнули в 1960-х годах. В Германии передатчик Bielstein рухнул в 1985 году. Трубчатые мачты строились не во всех странах. В Германии, Франции, Великобритании, Чехии, Словакии, Японии и Советском Союзе было построено много мачт с трубчатыми растяжками, тогда как в Польше или Северной Америке их почти нет.
Несколько мачт с трубчатыми оттяжками были построены в городах России и Украины. Эти мачты имели горизонтальные перекладины, идущие от центральной конструкции мачты к оттяжкам, и были построены в 1960-х годах. Перекладины этих мачт оборудованы трапом, который удерживает меньшие антенны, хотя их основное назначение - гашение колебаний. Проектное обозначение этих мачт - 30107 KM , и они используются исключительно для FM и телевидения и имеют высоту от 150 до 200 метров (490-660 футов) за одним исключением. Исключением является мачта в Виннице , которая имеет высоту 354 м (1161 фут) и в настоящее время является самой высокой трубчатой мачтой с оттяжками в мире после того, как передающая станция Belmont была уменьшена по высоте в 2010 году.
Башни из железобетона относительно дороги в строительстве, но обеспечивают высокую степень механической жесткости при сильном ветре. Это может быть важно, когда используются антенны с узкой шириной луча, например, те, которые используются для микроволновых соединений точка-точка, и когда конструкция должна быть занята людьми.
В 1950-х годах компания AT&T построила множество бетонных вышек, больше похожих на силосные башни, чем на башни, для своего первого трансконтинентального микроволнового маршрута. [7] [8]
В Германии и Нидерландах большинство вышек, построенных для двухточечных микроволновых линий связи, построены из железобетона , тогда как в Великобритании большинство из них представляют собой решетчатые башни .
Бетонные башни могут образовывать престижные достопримечательности, такие как CN Tower в Торонто , Канада. Помимо размещения технического персонала, эти здания могут иметь общественные зоны, такие как смотровые площадки или рестораны.
Телебашня Катанга недалеко от Джабалпура , Мадхья-Прадеш, в центральной Индии, оснащена мощным передатчиком для общественных вещателей Doordarshan и Prasar Bharati .
Телебашня Штутгарта была первой башней в мире, построенной из железобетона. Она была спроектирована в 1956 году местным инженером-строителем Фрицем Леонхардтом .
Стекловолоконные столбы иногда используются для маломощных ненаправленных маяков или средневолновых вещательных передатчиков.
Монополи и башни из углеродного волокна традиционно были слишком дорогими, но недавние разработки в области прядения жгута из углеродного волокна привели к появлению решений, которые обеспечивают прочность, превышающую прочность стали (в 10 раз) при весе, составляющем лишь малую часть (на 70% меньше [9] ), что позволило строить монополи и башни в местах, которые были слишком дорогими или труднодоступными для тяжелого подъемного оборудования, необходимого для стальной конструкции.
В целом конструкция из углеродного волокна возводится на 40–50 % быстрее по сравнению с традиционными строительными материалами.
Начиная с 2022 года [update], древесина, ранее нечастый материал для строительства телекоммуникационных вышек, начала становиться все более распространенной. В 2022 году деревянная телекоммуникационная вышка — первая в своем роде в Италии — заменила ранее существовавшую стальную конструкцию, чтобы вписаться в ее лесное окружение. [10] Одна из наиболее часто упоминаемых причин, по которой телекоммуникационные компании выбирают древесину, заключается в том, что это единственный материал в отрасли, который является положительным для климата . [11] По этой причине некоторые дистрибьюторы опор линий электропередач начали предлагать деревянные вышки для удовлетворения растущих потребностей инфраструктуры 5G. Например, в Соединенных Штатах дистрибьютор опор линий электропередач Bell Lumber & Pole начал разрабатывать продукцию для телекоммуникационной отрасли . [12]
Более короткие мачты могут состоять из самонесущего или укрепленного растяжками деревянного столба, похожего на телеграфный столб. Иногда используются самонесущие трубчатые оцинкованные стальные столбы: их можно назвать монополями.
В некоторых случаях возможна установка передающих антенн на крышах высотных зданий. Например, в Северной Америке передающие антенны имеются на Эмпайр-стейт-билдинг , Уиллис-тауэр , Пруденшиал-тауэр , 4 Таймс-сквер и Всемирном торговом центре 1. Северная башня оригинального Всемирного торгового центра также имела 110-метровую (360 футов) телекоммуникационную антенну на крыше, построенную в 1978–1979 годах и начавшую вещание в 1980 году. Когда здания рухнули, несколько местных теле- и радиостанций были отключены от эфира до тех пор, пока не были введены в эксплуатацию резервные передатчики. [13] Подобные сооружения существуют и в Европе , в частности, для портативных радиостанций и маломощных FM -радиостанций. В Лондоне BBC возвела в 1936 году мачту для трансляции раннего телевидения на одной из башен викторианского здания, Alexandra Palace . Она все еще используется.
Иногда замаскированные ячейки сотовой связи можно разместить в местах, где требуется не слишком заметный визуальный эффект, сделав их похожими на деревья, трубы или другие обычные конструкции.
Многие люди считают голые вышки сотовой связи уродливыми и вторжением в их районы. Несмотря на то, что люди все больше зависят от сотовой связи, они выступают против того, чтобы голые вышки портили живописные виды. Многие компании предлагают «спрятать» вышки сотовой связи в деревьях, церковных башнях, флагштоках, резервуарах для воды и других объектах или в них. [14] Существует много поставщиков, которые предлагают эти услуги как часть обычного обслуживания по установке и обслуживанию вышек. Их обычно называют «скрытыми вышками» или «скрытыми установками», или просто скрытыми сотовыми узлами .
Уровень детализации и реалистичности, достигаемый замаскированными вышками сотовой связи, необычайно высок; например, такие вышки, замаскированные под деревья, практически неотличимы от настоящих. [15] Такие вышки можно размещать незаметно в национальных парках и других подобных охраняемых местах, например, вышки, замаскированные под кактусы в Национальном лесу Коронадо в США . [16]
Однако даже замаскированные башни могут вызывать споры; башня, используемая также в качестве флагштока, вызвала споры в 2004 году в связи с президентской кампанией в США того года и подчеркнула мнение, что такая маскировка скорее позволяет устанавливать такие башни скрытно, вдали от общественного внимания, а не служит украшению ландшафта. [17]
Мачтовый излучатель или мачтовая антенна — это радиовышка или мачта, в которой вся конструкция является антенной. Мачтовые антенны — это передающие антенны, типичные для вещания на длинных или средних волнах .
Конструктивно единственное отличие заключается в том, что некоторые мачтовые излучатели требуют, чтобы основание мачты было изолировано от земли. В случае изолированной башни обычно будет один изолятор, поддерживающий каждую опору. Однако некоторые конструкции мачтовых антенн не требуют изоляции, поэтому изоляция основания не является существенной характеристикой.
Специальная форма радиовышки — телескопическая мачта . Их можно возвести очень быстро. Телескопические мачты используются в основном для создания временных радиолиний для сообщений о важных новостных событиях и для временной связи в чрезвычайных ситуациях. Они также используются в тактических военных сетях. Они могут сэкономить деньги, поскольку должны выдерживать сильные ветры только в поднятом состоянии, и как таковые широко используются в любительском радио .
Телескопические мачты состоят из двух или более концентрических секций и бывают двух основных типов:
Привязной воздушный шар или воздушный змей может служить временной опорой. Он может нести антенну или провод (для VLF, LW или MW) на соответствующую высоту. Такое расположение иногда используется военными агентствами или радиолюбителями. Американская вещательная компания TV Martí транслирует телевизионную программу на Кубу с помощью такого воздушного шара.
В 2013 году возник интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов (дронов) в телекоммуникационных целях. [18]
Для двух передатчиков VLF используются проволочные антенны, протянутые через глубокие долины. Провода поддерживаются небольшими мачтами или башнями или скальными анкерами. Та же техника использовалась и на радиостанции Криггион .
Для передатчиков ELF используются наземные дипольные антенны. Такие конструкции не требуют высоких мачт. Они состоят из двух электродов, зарытых в землю на расстоянии не менее нескольких десятков километров друг от друга. От здания передатчика к электродам проложены воздушные линии электропередач. Эти линии выглядят как линии электропередач уровня 10 кВ и установлены на таких же опорах.
Для передач в коротковолновом диапазоне мало что можно получить, подняв антенну более чем на половину или три четверти длины волны над уровнем земли, а на более низких частотах и более длинных волнах высота становится неосуществимо большой (более 85 метров (279 футов)). Коротковолновые передатчики редко используют мачты выше примерно 100 метров.
Поскольку мачты, башни и антенны, установленные на них, требуют обслуживания, необходим доступ ко всей конструкции. Доступ к небольшим конструкциям обычно осуществляется с помощью лестницы . Более крупные конструкции, которые, как правило, требуют более частого обслуживания, могут иметь лестницы и иногда лифт, также называемый сервисным лифтом.
Высокие конструкции, превышающие определенные установленные законом высоты, часто оснащаются сигнальными лампами для самолетов , обычно красного цвета, чтобы предупредить пилотов о существовании конструкции. В прошлом для максимального увеличения срока службы ламп использовались прочные и маломощные лампы накаливания. В качестве альтернативы использовались неоновые лампы. В настоящее время в таких лампах, как правило, используются светодиодные матрицы.
Требования к высоте различаются в зависимости от штата и страны и могут включать дополнительные правила, такие как требование использования белого мигающего стробоскопа днем и пульсирующих красных светильников ночью. Сооружения выше определенной высоты также могут быть обязаны быть окрашены в контрастные цветовые схемы , такие как белый и оранжевый или белый и красный, чтобы сделать их более заметными на фоне неба.
В некоторых странах, где световое загрязнение вызывает беспокойство, высота вышек может быть ограничена, чтобы уменьшить или устранить необходимость в предупреждающих огнях для самолетов. Например, в Соединенных Штатах Закон о телекоммуникациях 1996 года позволяет местным юрисдикциям устанавливать максимальную высоту вышек, например, ограничивая высоту вышек до 200 футов (61 м) и, следовательно, не требуя освещения самолетов в соответствии с правилами Федеральной комиссии по связи США (FCC).
Одной из проблем радиомачт является опасность колебаний, вызванных ветром. Это особенно касается конструкций из стальных труб. Это можно уменьшить, встроив в конструкцию цилиндрические амортизаторы. Такие амортизаторы, которые выглядят как цилиндры, толще мачты, можно найти, например, на радиомачтах DHO38 в Затерланде . Существуют также конструкции, которые состоят из отдельно стоящей башни, обычно из железобетона , на которую устанавливается радиомачта с растяжками. Одним из примеров является башня Гербранди в Лопике , Нидерланды. Другие башни, построенные по этому методу, можно найти около Смилде , Нидерланды, и Fernsehturm в Вальденбурге , Германия.
Радио-, телевизионные и сотовые вышки были задокументированы как представляющие опасность для птиц. Были опубликованы отчеты, документирующие известные случаи гибели птиц и призывающие к исследованиям, чтобы найти способы минимизировать опасность, которую могут представлять для птиц вышки связи. [19] [20]
Также были случаи, когда редкие птицы гнездились на вышках сотовой связи, что мешало проведению ремонтных работ из-за законодательства, призванного защищать их. [21] [22]
