Радиомачты и башни обычно представляют собой высокие конструкции, предназначенные для поддержки антенн телекоммуникаций и радиовещания , включая телевидение . Существует два основных типа: вантовые и самонесущие конструкции. Они являются одними из самых высоких сооружений, созданных руками человека. Мачты часто называют в честь радиовещательных организаций, которые изначально их построили или используют в настоящее время.
В случае мачтового излучателя или излучающей башни вся мачта или башня сама по себе является передающей антенной.
Термины «мачта» и «башня» часто используются как синонимы. Однако с точки зрения строительной техники башня представляет собой самонесущую или консольную конструкцию, в то время как мачта поддерживается стойками или растяжками . Инженеры радиовещания в Великобритании используют ту же терминологию. Мачта — это наземная или крышная конструкция, поддерживающая антенны на высоте, где они могут удовлетворительно отправлять или принимать радиоволны. Типичные мачты имеют стальную решетчатую или трубчатую стальную конструкцию. Сами по себе мачты не играют никакой роли в передаче мобильной связи. Мачты (если использовать терминологию гражданского строительства), как правило, дешевле в строительстве, но требуют обширной площади вокруг них для размещения растяжек. Башни чаще используются в городах, где земли не хватает. (Примечание: терминология, используемая в Соединенных Штатах, противоположна терминологии, используемой в Европе - в США конструкции, называемые мачтами, обычно представляют собой относительно небольшие конструкции без растяжек, тогда как более крупные конструкции, с растяжками или без растяжек, называются башнями. Федеральная комиссия по связи США, например, использует слово «башня» для описания таких структур, как радио- и телевизионные передающие башни, как с растяжками, так и без них.
Есть несколько пограничных конструкций, которые частично являются отдельно стоящими, а частично с оттяжками, которые называются башнями с дополнительными оттяжками . Например:
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 первоначально представляла собой провод, подвешенный к высокому деревянному шесту. Он обнаружил, что чем выше подвешена антенна, тем дальше он может передавать, что стало первым признанием необходимости высоты антенн. Радио начали использовать в коммерческих целях для радиотелеграфной связи примерно в 1900 году. В течение первых 20 лет существования радиостанции дальнего действия использовали длинные волны в очень низкочастотном диапазоне, поэтому даже самые высокие антенны были электрически короткими и имели очень низкую радиационную стойкость - 5 -25 Ом, что приводит к чрезмерным потерям мощности в системе заземления . Радиотелеграфные станции использовали огромные плоские антенны с емкостной верхней нагрузкой , состоящие из горизонтальных проводов, натянутых между несколькими стальными опорами длиной 100–300 метров (330–980 футов) для повышения эффективности. [1]
AM- радиовещание началось примерно в 1920 году. Выделение для радиовещания средних волновых частот открыло возможность использования одиночных вертикальных мачт без верхней загрузки. Антенна, использовавшаяся для вещания в 1920-е годы, представляла собой Т-образную антенну , которая состояла из двух мачт с проволочной верхней нагрузкой, натянутой между ними, что требовало вдвое больших затрат на строительство и площади земли, чем одна мачта. [1] В 1924 году Стюарт Баллантайн опубликовал две исторические статьи, которые привели к разработке одномачтовой антенны. [1] В первом он вычислил радиационное сопротивление вертикального проводника над плоскостью заземления . [2] Он обнаружил, что сопротивление излучения увеличивается до максимума на длине 1/2 длины волны , поэтому мачта на этой длине имеет входное сопротивление , которое намного превышает сопротивление земли, что снижает долю теряемой мощности передатчика. в наземной системе без использования емкостной верхней нагрузки. Во второй статье того же года он показал , что количество мощности, излучаемой горизонтально в земных волнах, достигает максимума на высоте мачты 5/8 длины волны . [3]
К 1930 году расходы на Т-образную антенну привели к тому, что радиовещательные компании приняли на вооружение мачтовую антенну-излучатель, в которой металлическая конструкция самой мачты выполняет функцию антенны. [4] Одним из первых используемых типов была алмазная консоль или башня Блоу-Нокса . Он имел ромбовидную ( ромбоэдрическую ) форму, что делало его жестким, поэтому требовался только один набор растяжек на его широкой талии. Заостренный нижний конец антенны заканчивался крупным керамическим изолятором в виде шарового шарнира на бетонном основании, снимающим изгибающие моменты конструкции. Первая полуволновая мачта длиной 665 футов (203 м) была установлена на передатчике радиостанции WABC мощностью 50 кВт в Уэйне , штат Нью-Джерси, в 1931 году . Башня Нокс имела неблагоприятное распределение тока, что увеличивало мощность, излучаемую под большими углами, вызывая замирания из-за многолучевого распространения в зоне прослушивания. [4] К 1940-м годам индустрия AM-вещания отказалась от конструкции Блоу-Нокса в пользу используемой сегодня узкой решетчатой мачты с одинаковым поперечным сечением, которая имела лучшую диаграмму направленности.
Рост FM-радио и телевещания в 1940-х и 50-х годах создал потребность в еще более высоких мачтах. В более раннем AM-вещании использовались диапазоны LF и MF , в которых радиоволны распространяются как земные волны , повторяющие контур Земли. Волны, приближающиеся к земле, позволили сигналам выйти за горизонт на сотни километров. Однако новые FM- и ТВ-передатчики использовали диапазон УКВ , в котором радиоволны распространяются по прямой видимости , поэтому они ограничены визуальным горизонтом . Единственный способ охватить большие площади — поднять антенну достаточно высоко, чтобы она находилась в прямой видимости.
До 8 августа 1991 года Варшавская радиомачта была самой высокой в мире опорной конструкцией на суше; в результате обрушения мачта КВЛИ/КТХИ-ТВ осталась самой высокой. В Соединенных Штатах насчитывается более 50 радиосооружений высотой 600 м (1968,5 футов) и выше. [7]
.JPG/1280px-Russian_TV_tower_(Penza).JPG)
Стальная решетка является самой распространенной формой конструкции. Он обеспечивает большую прочность, малый вес и ветроустойчивость, а также экономию материалов. Наиболее распространены решетки треугольного сечения, также широко используются решетки квадратного сечения. Часто используются мачты с оттяжками ; поддерживающие растяжки воспринимают боковые силы, такие как ветровые нагрузки, что позволяет сделать мачту очень узкой и простой по конструкции.
При построении в виде башни конструкция может иметь параллельные стороны или сужаться на части или всей своей высоте. Когда башня состоит из нескольких секций, которые экспоненциально сужаются по высоте, как Эйфелева башня , ее называют эйфелевой. Ярким примером является башня Хрустального дворца в Лондоне .
Мачты с оттяжками иногда изготавливают из стальных труб. Преимущество этого типа конструкции состоит в том, что кабели и другие компоненты могут быть защищены от атмосферных воздействий внутри трубы, и, следовательно, конструкция может выглядеть чище. Эти мачты в основном используются для FM-/TV-вещания, но иногда и в качестве мачтового излучателя. Большая мачта передающей станции Мюлакер является хорошим примером этого. Недостатком мачты этого типа является то, что она гораздо сильнее подвержена влиянию ветра, чем мачты с открытым корпусом. Несколько мачт с трубчатыми оттяжками рухнули. В Великобритании в 1960-х годах обрушились мачты телестанций Эмли Мур и Уолтем . В Германии передатчик Бильштайн вышел из строя в 1985 году. Трубчатые мачты строились не во всех странах. В Германии, Франции, Великобритании, Чехии, Словакии, Японии и Советском Союзе было построено множество мачт с трубчатыми оттяжками, а в Польше и Северной Америке их почти нет.
Несколько мачт с трубчатыми оттяжками были построены в городах России и Украины. Эти мачты имели горизонтальные поперечины, идущие от центральной конструкции мачты к вантам, и были построены в 1960-х годах. Поперечины этих мачт оборудованы трапами, в которых размещаются антенны меньшего размера, однако их основное назначение — гашение колебаний. Конструктивное обозначение этих мачт - 30107 KM , они используются исключительно для FM и телевидения, а их высота составляет 150–200 метров (490–660 футов), за одним исключением. Исключением является мачта в Виннице , высота которой составляет 354 м (1161 фут), которая в настоящее время является самой высокой трубчатой мачтой с оттяжками в мире после того, как в 2010 году передающую станцию Бельмонт уменьшили в высоте.
Железобетонные башни 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 радиорелейных линий связи «точка-точка», а также когда в конструкции должны находиться люди.
В 1950-х годах компания AT&T построила множество бетонных башен, больше похожих на бункеры, чем на башни, для своего первого трансконтинентального микроволнового маршрута. [8] [9]
В Германии и Нидерландах большинство вышек, построенных для двухточечной микроволновой связи, построены из железобетона , а в Великобритании большинство из них представляют собой решетчатые башни .
Бетонные башни могут стать престижными достопримечательностями, такими как Си-Эн Тауэр в Торонто , Канада. Помимо размещения технического персонала, в этих зданиях могут быть общественные места, такие как смотровые площадки или рестораны.
На телебашне Катанги недалеко от Джабалпура , Мадхья-Прадеш, в центральной Индии установлен мощный передатчик для общественных вещательных компаний Doordarshan и Prasar Bharati .
Штутгартская телебашня была первой башней в мире, построенной из железобетона. Он был спроектирован в 1956 году местным инженером-строителем Фрицем Леонхардтом .
Опоры из стекловолокна иногда используются для маломощных ненаправленных маяков или средневолновых радиовещательных передатчиков.
Монополи и башни из углеродного волокна традиционно были слишком дорогими, но недавние разработки в способе прядения жгута из углеродного волокна привели к появлению решений, которые обеспечивают прочность, превосходящую сталь (в 10 раз), при небольшом весе (на 70% меньше [ 10] ), 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.
С 2022 года [update]древесина, ранее являвшаяся распространенным материалом для строительства телекоммуникационных вышек, начала становиться все более распространенной. В 2022 году деревянная телекоммуникационная башня — первая в своем роде в Италии — заменила ранее существовавшую стальную конструкцию и гармонировала с лесным окружением. [11] Одна из наиболее часто упоминаемых причин, по которой телекоммуникационные компании выбирают древесину, заключается в том, что это единственный материал в отрасли, благоприятный для климата . [12] По этой причине некоторые дистрибьюторы опор начали предлагать деревянные башни для удовлетворения растущих потребностей инфраструктуры 5G. В США, например, дистрибьютор деревянных опор Bell Lumber & Pole начал разработку продукции для телекоммуникационной отрасли . [13]
Более короткие мачты могут состоять из самонесущего деревянного столба или столба с оттяжками, похожего на телеграфный столб. Иногда используются самонесущие трубчатые опоры из оцинкованной стали : их можно назвать монополями.
В некоторых случаях возможна установка передающих антенн на крышах высотных зданий. В Северной Америке , например, передающие антенны есть на Эмпайр-стейт-билдинг , Уиллис-тауэр , Пруденциал-тауэр , Таймс-сквер , 4 и Всемирном торговом центре . Северная башня первоначального Всемирного торгового центра также имела на крыше 110-метровую (360 футов) телекоммуникационную антенну, построенную в 1978–1979 годах и начавшую передачу в 1980 году. Когда здания рухнули, несколько местных теле- и радиостанций были отключены. отключены от эфира до тех пор, пока не будут введены в эксплуатацию резервные передатчики. [14] Подобные средства также существуют в Европе , особенно для портативных радиостанций и маломощных FM- радиостанций. В Лондоне BBC установила в 1936 году мачту для трансляции раннего телевидения на одной из башен викторианского здания Александра Палас . Он все еще используется.
Замаскированные сотовые сайты иногда могут быть внедрены в среду, требующую минимального визуального воздействия, если их сделать похожими на деревья, дымоходы или другие распространенные 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 против того, чтобы голые башни портили живописные виды. Многие компании предлагают «спрятать» вышки сотовой связи в деревьях, церковных башнях, флагштоках, резервуарах для воды и других объектах или в них. [15] Многие поставщики предлагают эти услуги как часть обычных услуг по установке и техническому обслуживанию вышек. Их обычно называют «вышками-невидимками» или «установками-невидимками» или просто скрытыми сотовыми станциями .
Уровень детализации и реализма, достигаемый замаскированными вышками сотовой связи, чрезвычайно высок; например, такие башни, замаскированные под деревья, почти неотличимы от настоящих. [16] Такие башни можно незаметно размещать в национальных парках и других подобных охраняемых местах, например, башни, замаскированные под кактусы , в Национальном лесу Коронадо в США . [17]
Однако даже будучи замаскированными, такие башни могут вызвать споры; башня, служащая флагштоком, вызвала споры в 2004 году в связи с президентской кампанией в США того года и подчеркнула мнение, что такая маскировка больше служит для того, чтобы позволить устанавливать такие башни в уловке, вдали от общественного внимания, а не для украшения. пейзажа. [18]
Мачтовый излучатель или мачтовая антенна – это радиовышка или мачта, в которой вся конструкция представляет собой антенну. Мачтовые антенны — это передающие антенны, типичные для длинноволнового или средневолнового вещания.
Конструктивно единственное отличие состоит в том, что некоторые мачтовые радиаторы требуют изоляции основания мачты от земли. В случае изолированной башни обычно каждую опору поддерживает один изолятор. Однако некоторые конструкции мачтовых антенн не требуют изоляции, поэтому изоляция основания не является существенной характеристикой.
Особой формой радиовышки является телескопическая мачта . Их можно возвести очень быстро. Телескопические мачты используются преимущественно при организации временной радиосвязи для сообщений о крупных новостных событиях, а также для временной связи в чрезвычайных ситуациях. Они также используются в тактических военных сетях. Они могут сэкономить деньги, поскольку им приходится выдерживать сильный ветер только в поднятом состоянии, и поэтому широко используются в радиолюбительстве .
Телескопические мачты состоят из двух или более концентрических секций и бывают двух основных типов:
Временной опорой может служить привязанный воздушный шар или воздушный змей . Он может нести антенну или провод (для ОНЧ, ДВ или СВ) на соответствующую высоту. Такая схема иногда используется военными ведомствами или радиолюбителями. С помощью такого воздушного шара американская телекомпания «ТВ Марти» транслировала на Кубу телевизионную программу .
В 2013 году начался интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов (дронов) в телекоммуникационных целях. [19]
Для двух передатчиков ОНЧ используются проволочные антенны, раскрученные в глубоких долинах. Тросы поддерживаются небольшими мачтами, башнями или скальными анкерами. Тот же прием использовался и на радиостанции Криггион .
Для передатчиков ELF используются наземные дипольные антенны. Такие конструкции не требуют высоких мачт. Они состоят из двух электродов, зарытых глубоко в землю на расстоянии не менее нескольких десятков километров друг от друга. От здания передатчика к электродам проходят воздушные линии электропередачи. Эти линии имеют вид ЛЭП уровня 10 кВ и установлены на аналогичных опорах.
Для передач в коротковолновом диапазоне мало что можно получить, подняв антенну более чем на несколько длин волн над уровнем земли. Коротковолновые передатчики редко используют мачты высотой более 100 метров.
Поскольку мачты, башни и установленные на них антенны требуют обслуживания, необходим доступ ко всей конструкции. Доступ к небольшим конструкциям обычно осуществляется по лестнице . Более крупные конструкции, которые, как правило, требуют более частого обслуживания, могут иметь лестницу, а иногда и лифт, также называемый служебным лифтом.
Высокие конструкции, высота которых превышает определенную законодательно установленную высоту, часто оборудуются сигнальными лампами самолета , обычно красными, чтобы предупреждать пилотов о существовании конструкции. Раньше для увеличения срока службы ламп использовались лампы накаливания повышенной прочности и с недостаточной эксплуатацией. Альтернативно 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 наличия белого мигающего света в дневное время и пульсирующего красного освещения в ночное время. Структуры, превышающие определенную высоту, также могут 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 является проблемой, высота вышек может быть ограничена, чтобы уменьшить или устранить необходимость в сигнальных огнях для самолетов. Например, в Соединенных Штатах Закон о телекоммуникациях 1996 года позволяет местным юрисдикциям устанавливать максимальную высоту для вышек, например, ограничивая высоту башни до уровня менее 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 актуально для конструкций из стальных труб. Уменьшить это можно, встроив в конструкцию цилиндрические амортизаторы. Такие амортизаторы, имеющие вид цилиндров толще мачты, встречаются, например, на радиомачтах DHO38 в Сатерланде . Существуют также конструкции, представляющие собой отдельно стоящую башню, обычно из железобетона , на которой установлена радиомачта на оттяжках. Одним из примеров является Башня Гербранди в Лопике , Нидерланды. Другие башни этого метода строительства можно найти недалеко от Смилде , Нидерланды, и Фернсехтурма в Вальденбурге , Германия.
Было документально подтверждено, что радио, телевидение и вышки сотовой связи представляют опасность для птиц. Были выпущены отчеты, документирующие известные случаи гибели птиц и призывающие к проведению исследований, чтобы найти способы минимизировать опасность, которую башни связи могут представлять для птиц. [20] [21]
Также были случаи, когда редкие птицы гнездились в вышках сотовой связи и тем самым препятствовали ремонтным работам из-за законодательства, направленного на их защиту. [22] [23]
