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 вещательных организаций, которые их изначально построили или используют в настоящее время.
Мачтовый излучатель или излучающая башня — это такая конструкция, в которой металлическая мачта или башня находится под напряжением и функционирует как передающая антенна.
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 .
Есть несколько пограничных конструкций, которые частично являются отдельно стоящими, а частично с оттяжками, которые называются башнями с дополнительными оттяжками . Примеры:
Первые эксперименты по 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 столбу. 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. [1]
В первые 20 лет коммерческого радио доминировали радиотелеграфные станции, передающие сигналы на большие расстояния с использованием очень длинных волн в очень низкочастотном диапазоне – таких длинных волн, что в настоящее время они почти не используются. Поскольку длина экстремальных длин волн составляла от одного до нескольких километров, даже самые высокие возможные антенны для сравнения были все еще слишком короткими с электрической точки зрения и, следовательно, имели по своей сути очень низкую радиационную стойкость (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 плоские антенны с верхней нагрузкой, состоящие из горизонтальных проводов, натянутых между несколькими стальными башнями длиной 100–300 метров (330–980 футов) для повышения эффективности. [1] (стр. 77–78)
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 натянутыми между ними нагрузочными тросами наверху, что требовало вдвое больших затрат на строительство и площади земли, чем одна мачта. [1] (стр. 77–78) В 1924 году Стюарт Баллантайн опубликовал две исторические статьи, которые привели к разработке одномачтовой антенны. [1] (стр. 77–78) В первом он вычислил радиационное сопротивление вертикального проводника над плоскостью заземления . [2] (стр. 833–839). Он обнаружил, что радиационная стойкость увеличивается до максимума на длине 1 /2 длина волны , поэтому мачта примерно такой длины имела входное сопротивление , которое было намного выше, чем сопротивление земли, что уменьшало долю мощности передатчика, которая терялась в наземной системе без помощи емкостной верхней нагрузки. Во второй статье того же года он показал, что количество энергии, излучаемой горизонтально в земных волнах, достигает максимума на высоте мачты 5 /8 длина волны . [2] (стр. 823–832)
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. [1] (стр. 79–81) Одним из первых используемых типов была ромбовидная 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. [3] [4] В 1930-х годах было обнаружено, что ромбовидная форма Башня Блоу-Нокс имела неблагоприятное распределение тока, что увеличивало мощность, излучаемую под большими углами, вызывая замирание из-за многолучевого распространения в зоне прослушивания. [1] (стр. 79–81) К 1940-м годам индустрия AM-вещания отказалась от конструкции Блоу-Нокса в пользу используемой сегодня узкой решетчатой мачты с однородным поперечным сечением, которая имела лучшую диаграмму направленности.
Рост FM-радио и телевещания в 1940–1950-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 США насчитывается более 50 радиотехнических сооружений высотой 600 м ( 1968,5 футов ) и выше. [5]
.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 также 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 микроволновых линий связи «точка-точка», а также когда в конструкции должны находиться люди.
В 1950-х годах компания AT&T построила множество бетонных башен, больше напоминающих бункеры, чем башни, для своего первого трансконтинентального микроволнового маршрута. [6] [7]
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 образовывать престижные достопримечательности, такие 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 [8] ), 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 [обновлять]древесина, ранее редко использовавшаяся 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. [9] Одна из наиболее часто упоминаемых причин, по которой телекоммуникационные компании выбирают древесину, заключается в том, что это единственный материал в отрасли, благоприятный для климата . [10] 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 . [11]
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. [12] 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 введены в среду, требующую минимального визуального воздействия, если их сделать похожими на деревья, дымоходы 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 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. [13] 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. [14] Такие башни можно незаметно разместить в национальных парках и других подобных охраняемых местах, например, башни, замаскированные под кактусы, в Национальном лесу Коронадо в США . [15]
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 служит скорее для того, чтобы позволить установку таких башен в уловке, вдали от общественного внимания, а не для того, чтобы служить украшение ландшафта. [16]
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. [17]
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 половину-три четверти длины волны над уровнем земли, а на более низких частотах и более длинных волнах высота становится недопустимо большой (более 85 метров (более 85 метров). 279 футов)). 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 определенной высоты 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, ограничивать высоту башни до уровня менее 200 футов (61 м) и, следовательно, не требовать 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 . Встречаются 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. [18] [19]
Также были случаи, когда редкие птицы гнездились в вышках сотовой связи и тем самым препятствовали ремонтным работам из-за законодательства, направленного на их защиту. [20] [21]
