Un radiador de mástil (o torre radiante ) es un mástil o torre de radio en el que la estructura metálica en sí está energizada y funciona como una antena . Este diseño, que se usó ampliamente por primera vez en la década de 1930, se usa comúnmente para transmitir antenas que operan a bajas frecuencias , en las bandas LF y MF , en particular las que se usan para estaciones de radiodifusión AM . El mástil de acero conductor está conectado eléctricamente al transmisor . Su base suele estar montada sobre un soporte no conductor para aislarla del suelo. Un radiador de mástil es una forma de antena monopolo .
Diseño estructural
La mayoría de los radiadores de mástil se construyen como mástiles arriostrados . [1] [2] Los mástiles de celosía de acero de sección transversal triangular son el tipo más común. A veces también se utilizan mástiles de celosía cuadrada y mástiles tubulares. Para asegurar que la torre sea un conductor continuo, las secciones estructurales de la torre están unidas eléctricamente en las juntas por puentes cortos de cobre que se sueldan a cada lado o soldaduras de "fusión" (arco) a través de las bridas de acoplamiento.
Los mástiles alimentados por la base, el tipo más común, deben estar aislados del suelo. En su base, el mástil suele estar montado sobre un aislante cerámico grueso , que tiene la resistencia a la compresión para soportar el peso de la torre y la resistencia dieléctrica para soportar el alto voltaje aplicado por el transmisor. La potencia de RF para impulsar la antena es suministrada por una red correspondiente, generalmente alojada en una caseta de sintonización de antena junto al mástil, y el cable que suministra la corriente simplemente se atornilla o suelda a la torre. El transmisor real generalmente se encuentra en un edificio separado, que suministra energía de RF a la caseta de sintonización de la antena a través de una línea de transmisión .
Para mantenerlo en posición vertical, el mástil tiene atados cables tensores , generalmente en juegos de 3 en ángulos de 120 °, que se anclan al suelo generalmente con anclajes de concreto . Se utilizan varios juegos de tirantes (de 2 a 5) en diferentes niveles para hacer que la torre sea rígida contra el pandeo. Las líneas de sujeción tienen aisladores de tensión (bolas de Johnny) insertados, generalmente en la parte superior cerca del punto de conexión al mástil, para aislar el cable conductor del mástil, evitando que el alto voltaje en la torre llegue al suelo.
A pesar de que están aislados del mástil, los cables tensores conductores pueden actuar eléctricamente como antenas resonantes ( elementos parásitos ), absorbiendo y volviendo a irradiar las ondas de radio del mástil, perturbando el patrón de radiación de la antena. Para evitar esto, se insertan aisladores de tensión adicionales a intervalos en los cables de sujeción para dividir la línea en longitudes no resonantes: generalmente los segmentos deben limitarse a un máximo de un octavo a un décimo de longitud de onda (). [3]
Los radiadores de mástil también se pueden construir como torres de celosía independientes , anchas en la parte inferior para mayor estabilidad, estrechándose a un mástil delgado. [4] La ventaja de esta construcción es la eliminación de líneas de sujeción y, por lo tanto, la reducción del área de tierra requerida. Estas torres pueden tener una sección transversal triangular o cuadrada, con cada pata apoyada en un aislante. Una desventaja es que la amplia base de la torre distorsiona el patrón de corriente vertical en la torre, reduciendo la resistencia a la radiación y por lo tanto la potencia radiada, por lo que se prefieren los mástiles arriostrados. [ cita requerida ]
El ministerio de radio nacional de un país generalmente tiene autoridad reguladora sobre el diseño y operación de postes de radio, además de los códigos de construcción locales que cubren el diseño estructural. En los EE. UU., Esta es la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Los planos para un mástil deben ser aprobados previamente por los reguladores antes de construir.
Diseño electrico
Un radiador de un solo mástil es una antena omnidireccional que irradia la misma potencia de ondas de radio en todas las direcciones horizontales. [4] Los radiadores de mástil irradian ondas de radio polarizadas verticalmente , y la mayor parte de la energía se emite en ángulos de elevación bajos. En las bandas de frecuencia media (MF) y baja frecuencia (LF), las estaciones de radio AM cubren su área de escucha utilizando ondas terrestres , ondas de radio polarizadas verticalmente que viajan cerca de la superficie del suelo, siguiendo el contorno del terreno. [4] Los radiadores de mástil son buenas antenas de ondas terrestres y son el tipo principal de antenas transmisoras utilizadas por las estaciones de radio AM, así como otros servicios de radio en las bandas MF y LF. También pueden irradiar suficiente potencia en ángulos de elevación más altos para la transmisión de radio de ondas celestes (salto).
La mayoría de las estaciones de radio utilizan mástiles individuales. Se pueden usar múltiples mástiles alimentados con corriente de radio en diferentes fases para construir antenas direccionales , que irradian más potencia en direcciones específicas que otras.
Sistema de alimentación
El transmisor que genera la corriente de radiofrecuencia a menudo se encuentra en un edificio a poca distancia del mástil, por lo que su electrónica sensible y el personal operativo no estarán expuestos a las fuertes ondas de radio en la base del mástil. La corriente del transmisor se envía al mástil a través de una línea de alimentación , un cable especializado ( línea de transmisión ) para transportar corriente de radiofrecuencia. En las frecuencias LF y MF se suele utilizar cable coaxial con aislamiento de espuma . La línea de alimentación está conectada a una unidad de sintonización de antena ( red de adaptación de impedancia ) en la base del mástil, para hacer coincidir la línea de transmisión con el mástil. [5] Esto puede estar ubicado en una caja a prueba de agua o en un pequeño cobertizo llamado cabaña de sintonización de antena (casa helicoidal) al lado del mástil. El circuito de sintonización de antena hace coincidir la impedancia característica de la línea de alimentación con la impedancia de la antena (dada por el gráfico a continuación), e incluye una reactancia , generalmente una bobina de carga , para sintonizar la reactancia de la antena, para hacerla resonante en el frecuencia de operación. Sin el sintonizador de antena, la falta de coincidencia de impedancia entre la antena y la línea de alimentación causaría una condición llamada ondas estacionarias ( ROE alta ), en la que parte de la potencia de radio se refleja de regreso por la línea de alimentación hacia el transmisor, lo que resulta en ineficiencia y posiblemente sobrecalentamiento del transmisor. Desde el sintonizador de antena, se atornilla al mástil una línea de alimentación corta.
Hay varias formas de alimentar un radiador de mástil: [6]
- Serie excitada (alimentación de base) : el mástil se apoya en un aislante y se alimenta por la parte inferior; un lado de la línea de alimentación de la casa helicoidal está conectado a la parte inferior del mástil y el otro a un sistema de tierra debajo del mástil. Este es el tipo de alimentación más común, utilizado en la mayoría de los mástiles de estaciones de radio AM. [4] [6]
- Shunt excitado : la parte inferior del mástil está conectada a tierra y un lado de la línea de alimentación está conectado al mástil parcialmente hacia arriba y el otro al sistema de tierra debajo del mástil. [6] La impedancia del mástil aumenta a lo largo de su longitud, por lo que al elegir la altura correcta para conectar, la antena puede adaptarse a la impedancia de la línea de alimentación. Esto evita la necesidad de aislar el mástil del suelo, elimina la necesidad de un aislador en la línea de alimentación de luz de la aeronave y el peligro de descarga eléctrica de altos voltajes en la base del mástil.
- Unipolar plegado : esto se puede considerar una variación de la alimentación en derivación, arriba. El mástil de la antena está conectado a tierra y un "faldón" tubular de cables se une a la parte superior de la antena y cuelga paralelo al mástil, rodeándolo, hasta el nivel del suelo, donde se alimenta. Tiene un ancho de banda más amplio que una sola torre.
- Seccional : también conocida como antena anti-desvanecimiento, el mástil se divide en dos tramos con un aislante entre ellos para hacer dos antenas verticales apiladas, alimentadas en fase. [6] Esta disposición colineal mejora la radiación de ángulo bajo (onda terrestre) y reduce la radiación de ángulo alto (onda del cielo). Esto aumenta la distancia a la zona de papilla donde la onda terrestre y la onda del cielo tienen una fuerza similar durante la noche.
Las regulaciones gubernamentales generalmente requieren que la energía alimentada a la antena sea monitoreada en la base de la antena, por lo que la caseta de sintonización de antena también incluye un circuito de muestreo de corriente de antena, que envía sus mediciones a la sala de control del transmisor. [7] La cabaña también suele contener la fuente de alimentación para las luces de advertencia de la aeronave.
Altura del mástil y patrón de radiación
La altura ideal de un radiador de mástil depende de la frecuencia de transmisión , la distribución geográfica de la audiencia que escucha y el terreno. Un radiador de mástil no seccionado es una antena monopolo , y su patrón de radiación vertical , la cantidad de energía que irradia en diferentes ángulos de elevación, está determinada por su altura.en comparación con la longitud de onda de las ondas de radio, igual a la velocidad de la luz dividido por la frecuencia . La altura del mástil se suele especificar en fracciones de la longitud de onda o en " grados eléctricos ".
donde cada grado es igual metros. La distribución de corriente en el mástil determina el patrón de radiación . La corriente de radiofrecuencia fluye hacia arriba del mástil y se refleja desde la parte superior, y la corriente directa y reflejada interfieren , creando una onda estacionaria aproximadamente sinusoidal en el mástil con un nodo (punto de corriente cero) en la parte superior y un máximo de un cuarto de longitud de onda hacia abajo. [6] [8]
dónde es la corriente a una altura de grados eléctricos sobre el suelo, y es la corriente máxima. A alturas de un poco menos de un múltiplo de un cuarto de longitud de onda,... (G = 90 °, 180 °, 270 ° ...) el mástil resonante ; a estas alturas, la antena presenta una resistencia pura a la línea de alimentación , simplificando la impedancia haciendo coincidir la línea de alimentación con la antena. En otras longitudes, la antena tiene reactancia capacitiva o reactancia inductiva . Sin embargo, los mástiles de estas longitudes se pueden alimentar de manera eficiente cancelando la reactancia de la antena con una reactancia conjugada en la red de adaptación en la casa de la hélice. Debido al grosor finito del mástil, la resistencia y otros factores, la corriente real de la antena en el mástil difiere significativamente de la onda sinusoidal ideal asumida anteriormente, y como se muestra en el gráfico, las longitudes de resonancia de una torre típica están más cerca de 80 °. 140 ° y 240 °.
Las ondas terrestres viajan horizontalmente lejos de la antena justo por encima del suelo, por lo tanto, el objetivo de la mayoría de los diseños de mástiles es irradiar una cantidad máxima de potencia en direcciones horizontales. [9] Una antena monopolo ideal irradia potencia máxima en direcciones horizontales a una altura de 225 grados eléctricos, aproximadamente 5/8 o 0,625 de una longitud de onda (esta es una aproximación válida para un mástil típico de espesor finito; para un mástil infinitamente delgado, el máximo ocurre en = .637[6] ) Como se muestra en el diagrama, a alturas por debajo de la mitad de la longitud de onda (180 grados eléctricos) el patrón de radiación de la antena tiene un solo lóbulo con un máximo en direcciones horizontales. A alturas superiores a la mitad de la longitud de onda, el patrón se divide y tiene un segundo lóbulo dirigido hacia el cielo en un ángulo de aproximadamente 60 °. La razón por la que la radiación horizontal es máxima a 0,625es que a poco más de la mitad de la longitud de onda, la radiación de fase opuesta de los dos lóbulos interfiere destructivamente y se cancela en ángulos de elevación altos, lo que hace que la mayor parte de la energía se emita en direcciones horizontales. [6] Alturas superiores a 0,625generalmente no se usan porque por encima de esto, la potencia irradiada en direcciones horizontales disminuye rápidamente debido al aumento de la energía desperdiciada en el cielo en el segundo lóbulo. [4]
Para mástiles de banda de radiodifusión AM de onda media 0,625tendría una altura de 117 a 341 metros (384 a 1119 pies), y más alto para los mástiles de onda larga. Los altos costos de construcción de estos mástiles altos significan que con frecuencia se utilizan mástiles más cortos.
Lo anterior da el patrón de radiación de un mástil perfectamente conductor sobre un suelo perfectamente conductor. La intensidad real de la señal recibida en cualquier punto del suelo está determinada por dos factores, la potencia radiada por la antena en esa dirección y la atenuación de la trayectoria entre la antena transmisora y el receptor, que depende de la conductividad del suelo . [10] El proceso de diseño de un mástil de radio real generalmente implica hacer un estudio de la conductividad del suelo, luego usar un programa de computadora de simulación de antena para calcular un mapa de la intensidad de la señal producido por los mástiles reales disponibles comercialmente sobre el terreno real. Esto se compara con la distribución de la población de la audiencia para encontrar el mejor diseño. [10]
Diseños anti-decoloración
Un segundo objetivo del diseño que afecta la altura es reducir el desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de recepción. [9] Parte de la energía de radio irradiada en ángulo hacia el cielo es reflejada por capas de partículas cargadas en la ionosfera y regresa a la Tierra en el área de recepción. A esto se le llama la onda del cielo . A ciertas distancias de la antena, estas ondas de radio están desfasadas con las ondas terrestres, y las dos ondas de radio interfieren destructivamente y se cancelan parcial o completamente entre sí, reduciendo la intensidad de la señal. A esto se le llama desvanecimiento . Por la noche, cuando la reflexión ionosférica es más fuerte, esto da como resultado una región anular de baja intensidad de señal alrededor de la antena en la que la recepción puede ser inadecuada, a veces llamada "zona de silencio", pared de desvanecimiento o zona de papilla . Sin embargo, el desvanecimiento por trayectos múltiples solo se vuelve significativo si la intensidad de la señal de la onda del cielo está dentro de aproximadamente el 50% (3dB) de la onda terrestre. Al reducir ligeramente la altura de un monopolo, la potencia irradiada en el segundo lóbulo puede reducirse lo suficiente como para eliminar el desvanecimiento por trayectos múltiples, con solo una pequeña reducción en la ganancia horizontal. [6] La altura óptima es de unos 190 grados eléctricos o 0,53, por lo que esta es otra altura común para los mástiles. [6]
Mástiles seccionales
Un tipo de mástil con un rendimiento anti-decoloración mejorado es el mástil seccionado, también llamado mástil anti-decoloración. [11] [12] En un mástil seccionado, los aisladores en los elementos de soporte verticales dividen el mástil en dos secciones conductoras apiladas verticalmente, que son alimentadas en fase por líneas de alimentación separadas. Esto aumenta la proporción de potencia radiada en direcciones horizontales y permite que el mástil sea más alto que 0,625sin excesiva radiación de alto ángulo. Prácticos seccionales con alturas de 120 sobre 120 grados, 180 sobre 120 grados y 180 sobre 180 grados están actualmente en funcionamiento con buenos resultados.
Mástiles eléctricamente cortos
El límite inferior de la frecuencia a la que se pueden utilizar los radiadores de mástil está en la banda de baja frecuencia , debido a la creciente ineficacia de los mástiles de menos de un cuarto de longitud de onda.
A medida que la frecuencia disminuye, la longitud de onda aumenta, lo que requiere una antena más alta para hacer una fracción determinada de la longitud de onda. Los costos de construcción y el área de tierra requerida aumentan con la altura, poniendo un límite práctico a la altura del mástil. Los mástiles de más de 300 metros (980 pies) son prohibitivamente caros y se han construido muy pocos; los mástiles más altos del mundo miden alrededor de 600 metros (2000 pies). Otra restricción en algunas áreas son las restricciones de altura en las estructuras; cerca de los aeropuertos, las autoridades de aviación pueden limitar la altura máxima de los mástiles. Estas limitaciones a menudo requieren el uso de un mástil que sea más corto que la altura ideal.
Antenas significativamente más cortas que la longitud de resonancia fundamental de un cuarto de la longitud de onda (0,25, 90 grados eléctricos) se denominan antenas eléctricamente cortas . Las antenas eléctricamente cortas son radiadores eficientes ; la ganancia de incluso una antena corta es muy cercana a la de una antena de cuarto de onda. Sin embargo, no se pueden conducir de manera eficiente debido a su baja resistencia a la radiación . [6] La resistencia a la radiación de la antena, la resistencia eléctrica que representa la potencia irradiada como ondas de radio, que es de alrededor de 25 a 37 ohmios en un cuarto de longitud de onda, disminuye por debajo de un cuarto de longitud de onda con el cuadrado de la relación entre la altura del mástil y longitud de onda. Otras resistencias eléctricas en el sistema de antena, la resistencia óhmica del mástil y el sistema de tierra enterrada, están en serie con la resistencia a la radiación, y la potencia del transmisor se divide proporcionalmente entre ellas. A medida que la resistencia a la radiación disminuye, más potencia del transmisor se disipa en forma de calor en estas resistencias, lo que reduce la eficiencia de la antena. Mástiles de menos de 0,17(60 grados eléctricos) rara vez se utilizan. A esta altura, la resistencia a la radiación es de aproximadamente 10 ohmios, por lo que la resistencia típica de un sistema de tierra enterrada, 2 ohmios, es aproximadamente el 20% de la resistencia a la radiación, por lo que por debajo de esta altura, más del 20% de la potencia del transmisor se desperdicia en el suelo. sistema.
Un segundo problema con los mástiles eléctricamente cortos es que la reactancia capacitiva del mástil es alta, lo que requiere una gran bobina de carga en el sintonizador de antena para sintonizarlo y hacer que el mástil resuene. La alta reactancia frente a la baja resistencia dan a la antena un factor Q alto ; la antena y la bobina actúan como un circuito sintonizado de alta Q , reduciendo el ancho de banda utilizable de la antena.
A frecuencias más bajas, los radiadores de mástil se reemplazan por antenas de carga superior capacitivas más elaboradas, como la antena T o la antena de paraguas, que pueden tener una mayor eficiencia.
Cargas superiores capacitivas
En circunstancias en las que se deben usar mástiles cortos, a veces se agrega una carga superior capacitiva ( sombrero de copa ) en la parte superior del mástil para aumentar la potencia radiada. [13] Esta es una pantalla redonda de cables horizontales que se extienden radialmente desde la parte superior de la antena. Actúa como una placa de condensador , el aumento de corriente en el mástil necesario para cargar y descargar la capacidad de carga superior en cada ciclo de RF aumenta la potencia radiada. Dado que la carga superior actúa eléctricamente como una longitud adicional de mástil, esto se denomina " alargamiento eléctrico " de la antena. Otra forma de construir un sombrero de capacidad es usar secciones del juego de cables de sujeción superior, insertando los aisladores de tensión en la línea de sujeción a una corta distancia del mástil. Los cascos de capacidad están limitados estructuralmente al equivalente de 15-30 grados de altura eléctrica adicional.
Sistema de puesta a tierra
Para los radiadores de mástil, la tierra debajo del mástil es parte de la antena; la corriente alimentada al mástil pasa a través del aire hacia el suelo debajo de la antena como corriente de desplazamiento (campo eléctrico). [14] El suelo también sirve como plano de tierra para reflejar las ondas de radio. La antena recibe energía entre la parte inferior del mástil y el suelo, por lo que requiere un sistema de puesta a tierra (Conexión a tierra) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo y recoger la corriente de retorno. Un lado de la línea de alimentación de la casa helicoidal está unido al mástil y el otro lado al sistema de tierra. El sistema de tierra está en serie con la antena y transporta toda la corriente de la antena, por lo que para eficiencia su resistencia debe mantenerse baja, por debajo de 2 ohmios , por lo que consiste en una red de cables enterrados en la tierra. [15] Dado que para una antena omnidireccional las corrientes terrestres viajan radialmente hacia el punto de tierra desde todas las direcciones, el sistema de puesta a tierra generalmente consiste en un patrón radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera desde la base del mástil en todas las direcciones, conectados entre sí al suelo. conducir en una terminal al lado de la base. [15]
La potencia del transmisor perdida en la resistencia del suelo y, por tanto, la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esto varía mucho; los suelos pantanosos o estanques, particularmente el agua salada, proporcionan el terreno de menor resistencia. La densidad de corriente de RF en la tierra, y por lo tanto la pérdida de potencia por metro cuadrado, aumenta a medida que uno se acerca a la terminal de tierra en la base del mástil, [15] por lo que se puede pensar que el sistema de tierra radial reemplaza el suelo con un medio de mayor conductividad, cobre, en las partes del suelo que transportan alta densidad de corriente, para reducir las pérdidas de potencia.
Un sistema de tierra estándar ampliamente utilizado y aceptable para la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU . Es 120 cables de tierra radiales igualmente espaciados que se extienden un cuarto de longitud de onda (.25, 90 grados eléctricos) desde el mástil. [15] [14] Normalmente se usa alambre de cobre trefilado suave calibre 10, enterrado de 4 a 10 pulgadas de profundidad. [15] Para mástiles de banda de transmisión AM, esto requiere un área de tierra circular que se extienda desde el mástil de 47 a 136 metros (154 a 446 pies). Por lo general, se planta con césped, que se mantiene corto ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de potencia en determinadas circunstancias. Si el área de tierra alrededor del mástil es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos pueden ser reemplazados por un mayor número de radiales más cortos. El soporte metálico debajo del aislador del mástil está unido al sistema de tierra con correas metálicas conductoras para que no aparezca voltaje a través de la plataforma de hormigón que soporta el mástil, ya que el hormigón tiene malas cualidades dieléctricas.
Para mástiles cerca de media longitud de onda de alto (180 grados eléctricos), el mástil tiene un voltaje máximo ( antinodo ) cerca de su base, lo que da como resultado campos eléctricos fuertes en la tierra por encima de los cables de tierra cerca del mástil donde la corriente de desplazamiento ingresa al suelo. Esto puede provocar importantes pérdidas de potencia dieléctrica en la tierra. Para reducir esta pérdida, estas antenas a menudo usan una pantalla de tierra de cobre conductor alrededor del mástil conectado a los cables de tierra enterrados, ya sea en el suelo o elevados unos pocos pies, para proteger el suelo del campo eléctrico. Otra solución es aumentar el número de cables de tierra cerca del mástil y enterrarlos a poca profundidad en una capa superficial de pavimento asfáltico , que tiene bajas pérdidas dieléctricas.
Equipos auxiliares
Esgrima
Los radiadores de mástil alimentados por la base tienen un alto voltaje en la base del mástil, que puede generar una descarga eléctrica peligrosa a una persona conectada a tierra que los toque. El potencial en el mástil suele ser de varios miles de voltios con respecto al suelo. Los códigos eléctricos requieren que los equipos de alto voltaje expuestos estén cercados del público, de modo que el mástil y la caseta de sintonización de la antena estén rodeados por una cerca cerrada. Por lo general, una valla de alambre se utiliza, pero a veces las cercas de madera se utilizan para evitar que las corrientes inducidas en una valla metálica de distorsionar el diagrama de radiación de la antena. Un diseño alternativo es montar el mástil en la parte superior de la caseta de sintonización de la antena, fuera del alcance del público, eliminando la necesidad de una cerca.
Luces de advertencia de aeronaves
Los mástiles de las antenas son lo suficientemente altos como para representar un peligro para los aviones. Las regulaciones de aviación requieren que los mástiles se pinten en tiras alternas de pintura internacional naranja y blanca, y que tengan luces de advertencia de aeronaves a lo largo de su longitud, para que sean más visibles para las aeronaves. Las regulaciones requieren luces intermitentes en la parte superior y (según la altura) en varios puntos a lo largo de la torre. El alto voltaje de radiofrecuencia en el mástil plantea un problema para encender las luces de advertencia: el cable de alimentación que baja por el mástil desde las luces para conectarse a la línea de alimentación eléctrica se encuentra en el alto potencial de RF del mástil. [16] [3] Sin equipo de protección, conduciría corriente de radiofrecuencia (RF) a la tierra del cableado de alimentación de CA, provocando un cortocircuito en el mástil. Para evitar esto, se instala un aislador de protección en el cable de alimentación de iluminación en la base del mástil que bloquea la corriente de RF mientras deja que la energía de CA de baja frecuencia de 50 o 60 hercios pase a través del mástil. Se han utilizado varios tipos de dispositivos aisladores:
- Transformador Austin : este es un tipo especializado de transformador de aislamiento hecho específicamente para este uso, en el que los devanados primario y secundario del transformador están separados por un espacio de aire, lo suficientemente ancho como para que el alto voltaje de la antena no pueda atravesarlo. [3] Consiste en un núcleo de hierro toroidal en forma de anillocon el devanado primario envuelto alrededor, montado en la base de hormigón debajo del aislante de la antena, conectado a la fuente de energía de iluminación. El devanado secundario que proporciona energía a las luces del mástil es una bobina en forma de anillo que se enrosca a través del núcleo toroidal como dos eslabones en una cadena, con un espacio de aire entre los dos. El campo magnético creado por el devanado primario induce corriente en el devanado secundario sin necesidad de una conexión directa entre ellos.
- Choke : consiste en un inductor , una bobina de alambre fino enrollado alrededor de una forma cilíndrica. [3] La impedancia (resistencia a la corriente alterna) de un inductor aumenta con la frecuencia de la corriente. El estrangulador de aislamiento es un filtro de paso bajo , está construido para tener una alta impedancia en las frecuencias de radio que evita que la corriente de RF pase, pero una impedancia insignificante en la frecuencia de red de 50/60 hercios más baja, por lo que la energía de CA puede pasar a las luces. Se inserta un estrangulador en cada una de las 3 líneas (vivo, neutro, tierra de seguridad) que componen el cable de alimentación. El extremo de bajo voltaje de cada estrangulador se derivaa tierra através de un condensador , por lo que el alto voltaje inducido en el extremo de bajo voltaje mediante el acoplamiento capacitivo a través de la capacitancia entrelazadadel estrangulador se conduce a tierra.
- Circuito resonante paralelo (trampa) : consiste en un inductor y un condensador conectados en paralelo en la línea de alimentación. Los valores de inductancia y capacitancia se eligen de modo que la frecuencia de resonancia del circuitosea la frecuencia de funcionamiento de la antena. Un circuito resonante paralelo tiene una impedancia muy alta (miles de ohmios) en su frecuencia resonante, por lo que bloquea la corriente de RF, pero baja impedancia en todas las demás frecuencias, lo que permite el paso de la energía de iluminación de CA. Este circuito solo bloquea la frecuencia específica a la que está sintonizado, por lo que si se cambia la frecuencia del transmisor de radio, se debe ajustar la trampa.
Protección contra rayos e interruptor de puesta a tierra
En su base, el mástil debe tener un pararrayos que consiste en un espacio de chispa de bola o cuerno entre el mástil y el terminal de tierra, de modo que la corriente de un rayo al mástil sea conducida a tierra. [3] El conductor del pararrayos debe ir directamente a una estaca de tierra metálica por el camino más corto. La parte superior del mástil debe tener un pararrayos para proteger la luz de advertencia superior de la aeronave. [3] El mástil también debe tener una ruta de CC a tierra, de modo que las cargas eléctricas estáticas en el mástil puedan drenar. [3] También en la base hay un interruptor de puesta a tierra, que se utiliza para conectar el mástil al sistema de tierra durante las operaciones de mantenimiento para garantizar que no haya posibilidad de que haya alto voltaje en el mástil cuando el personal esté trabajando en él.
Antenas colocadas
Un mástil de radio alto es una estructura conveniente para montar otras antenas inalámbricas. Las regulaciones ambientales hacen que sea cada vez más difícil construir nuevos mástiles, por lo que muchas estaciones de radio alquilan espacio en sus torres a otros servicios de radio para sus antenas. Se denominan antenas colocadas . Los tipos de antenas que a menudo se montan en los radiadores de mástil son: antenas látigo de fibra de vidrio para sistemas de radio móviles terrestres para servicios de taxi y entrega, antenas parabólicas para enlaces de retransmisión de microondas que transportan datos comerciales de telecomunicaciones e Internet, antenas de radiodifusión FM que consisten en bahías colineales de elementos dipolares retorcidos, y antenas de estaciones base celulares .
Siempre que las antenas colocadas no operen a frecuencias cercanas a la frecuencia de transmisión del mástil, generalmente es posible aislarlas eléctricamente del voltaje en el mástil. Las líneas de transmisión que alimentan energía de RF a las antenas colocadas plantean el mismo problema que las líneas eléctricas de iluminación de la aeronave: tienen que pasar por la torre y atravesar el aislante de la base y conectarse a equipos de bajo voltaje, por lo que sin dispositivos de aislamiento, llevarán el alto voltaje del mástil y puede cortocircuitar el mástil a tierra. Las líneas de transmisión están aisladas por inductores de filtro de paso bajo que consisten en hélices de cable coaxial enrollado en una forma no conductora. [dieciséis]
Mástiles arriostrados más altos
El radiador de mástil más alto jamás construido fue el mástil de radio de Varsovia de 648,38 metros (2127,2 pies) construido en 1974 en Konstantynow, Polonia, que se derrumbó en 1991. [17] Actualmente, el radiador de mástil más alto puede ser el Hellissandur de onda larga de 411,48 metros (1350,0 pies) de altura. Mástil de radio construido en 1963 cerca de Hellissandur , Islandia.
La antena transmisora de televisión de mástil KVLY-TV de 629 metros (2.064 pies) en Blanchard, Dakota del Norte, es el mástil arriostrado más alto del mundo, pero no es un radiador de mástil. [ cita requerida ] Los dos mástiles del transmisor Lualualei VLF , Lualualei, Hawaii, a 458,11 metros (1,503,0 pies), son los mástiles más altos aislados contra el suelo, pero estos no son radiadores de mástil sino parte de una antena de cable con carga superior capacitiva . [ cita requerida ]
Las torres autorradiantes autoportantes más altas
Torre | Año | País | Pueblo | Pináculo | Observaciones |
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Transmisor de onda larga Junglinster | 1932 | Luxemburgo | Junglinster | 250 metros | 3 torres, aisladas contra el suelo, altura desde 1980216 m |
Blosenbergturm | 1937 | Suiza | Beromünster | 216 metros | Aislado contra el suelo |
Transmisor novosemejkino | 1943 | Rusia | Novosemejkino | 205 metros | Varias torres, aisladas contra el suelo |
Transmisor LORAN-C Carolina Beach | ? | Estados Unidos | Playa Carolina | 190,5 metros | Aislado contra el suelo. Demolido. |
Transmisor Sottens , antigua torre de transmisión | 1948 | Suiza | Sottens | 190 metros | demolido en 1989, aislado contra el suelo |
Torre LORAN de la bahía de Cambridge | 1948 | Cambridge Bay | Canadá | 189 metros | Funciona como NDB con indicativo CB |
Transmisor Beromünster , torre de transmisión de respaldo | 1937 | Suiza | Beromünster | 126 metros | Aislado contra el suelo |
Transmisor Sottens , torre de transmisión de respaldo | 1931 | Suiza | Sottens | 125 metros | Aislado contra el suelo |
Transmisor Monte Ceneri | 1933 | Torre de celosía | Paso Monte Ceneri | 120 metros | aislado contra el suelo, desde 1978 utilizado para la transmisión de TV (hoy DVB-T y DAB) |
Relé BBC Limassol , antena de 639 kHz | ? | Chipre | Akrotiri | 120 metros | 4 torres, aisladas contra el suelo |
Estación transmisora de Orfordness , Antena de 648 kHz | ? | Reino Unido | Orfordness | 106,7 metros | Aislado contra el suelo, múltiples torres de celosía |
Relé Limassol BBC , Antena de 720 kHz | ? | Chipre | Akrotiri | 102 metros | 4 torres, aisladas contra el suelo |
Torre DECCA de Puckeridge | 194? | Reino Unido | Puckeridge | 100 metros | Aislado contra el suelo |
Transmisor de onda media Perea | 1947 | Grecia | Salónica | 99,5 metros | 2 torres, aisladas contra el suelo, demolidas |
Torre de radio común de los hombres libres | ? | Reino Unido | Común de los hombres libres | ? | Aislado contra el suelo |
Estación transmisora de Orfordness , Antena de 1296 kHz | ? | Reino Unido | Orfordness | ? | Aislado contra el suelo, múltiples torres de celosía |
Transmisor Camphin en Carembault , Torre de transmisión de reserva | ? | Francia | Camphin en Carembault | ? | Aislado contra el suelo |
Florencia, antigua torre de radio | ? | Italia | Florencia | ? | Aislado contra el suelo, [1] |
Transmisor Ashton Moss | ? | Reino Unido | Ashton bajo Lyne | ? | 3 torres, aisladas contra el suelo |
Transmisor Szombathely | 1955 | Hungría | Szombathely | 60 m | |
Transmisor de onda media Lutsk | ? | Ucrania | Lutsk | 50 m |
Historia
Uno de los primeros grandes radiadores de mástil fue el mástil tubular experimental de 130 m (420 pies) erigido en 1906 por Reginald Fessenden para su transmisor de chispa en Brant Rock, Massachusetts, con el que realizó la primera transmisión transatlántica bidireccional, comunicándose con una unidad idéntica. estación en Machrihanish, Escocia. Sin embargo, durante la era de la radiotelegrafía antes de 1920, la mayoría de las estaciones de radio de larga distancia transmitían en la banda de onda larga , lo que limitaba la altura vertical del radiador a mucho menos de un cuarto de longitud de onda, por lo que la antena era eléctricamente corta y tenía una baja resistencia a la radiación de 5 a 30 ohmios. . [9] Por lo tanto, la mayoría de los transmisores usaban antenas con carga superior capacitiva como la antena tipo paraguas o la antena L y T invertida para aumentar la potencia radiada. Durante esta era, el funcionamiento de las antenas se entendía poco y los diseños se basaban en prueba y error y en reglas prácticas que se entendían a medias.
El comienzo de la radiodifusión AM en 1920 y la asignación de frecuencias de onda media a las estaciones de radiodifusión provocó un aumento del interés por las antenas de onda media. La antena plana o en T se utilizó como antena de transmisión principal durante la década de 1920. [9] Tenía la desventaja de que requería dos mástiles, el doble del costo de construcción de una antena de un solo mástil, mucha más superficie terrestre y las corrientes parásitas en los mástiles distorsionaban el patrón de radiación. Dos artículos históricos publicados en 1924 por Stuart Ballantine llevaron al desarrollo del radiador de mástil. [9] Uno derivó la resistencia a la radiación de una antena monopolo vertical sobre un plano de tierra. [18] Encontró que la resistencia a la radiación aumentaba a un máximo en una longitud de media longitud de onda, por lo que un mástil alrededor de esa longitud tenía una resistencia de entrada que era mucho más alta que la resistencia de tierra, reduciendo la fracción de potencia del transmisor que se perdía en el sistema de tierra. En un segundo artículo del mismo año, mostró que la cantidad de energía irradiada horizontalmente en las ondas terrestres alcanzaba un máximo a una altura del mástil de .625(225 grados eléctricos). [19]
En 1930, las desventajas de la antena T llevaron a los radiodifusores a adoptar la antena de radiador de mástil. [9] Uno de los primeros tipos utilizados fue el voladizo de diamantes o la torre Blaw-Knox . Esto tenía una forma de diamante ( romboédrico ) que lo hacía rígido, por lo que solo se necesitaba un juego de líneas de sujeción, en su amplia cintura. El extremo inferior puntiagudo de la antena terminaba en un gran aislante cerámico en forma de rótula sobre una base de hormigón, aliviando los momentos de flexión en la estructura. El primero, un mástil de media onda de 665 pies (203 m) se instaló en el transmisor de 50 kW de Wayne, Nueva Jersey de la estación de radio WABC en 1931. [20] [21] Los sistemas de tierra de cable radial también se introdujeron durante esta era.
Durante la década de 1930, la industria de la radiodifusión reconoció el problema del desvanecimiento por trayectos múltiples , que por la noche las ondas de alto ángulo reflejadas desde la ionosfera interferían con las ondas terrestres, provocando una región anular de mala recepción a cierta distancia de la antena. [9] Se encontró que la forma de diamante de la torre Blaw-Knox tenía una distribución de corriente desfavorable que aumentaba la potencia emitida en ángulos altos. En la década de 1940, la industria de la radiodifusión AM había abandonado el diseño de Blaw-Knox por el mástil de celosía de sección transversal estrecha y uniforme que se usaba en la actualidad, que tenía un mejor patrón de radiación. Se descubrió que reducir la altura del mástil monopolo de 225 grados eléctricos a 190 grados podría eliminar las ondas de radio de alto ángulo que causaban el desvanecimiento. Los mástiles seccionales también se desarrollaron en esta época.
Notas
- ^ Smith , 2007 , p. 24-26.
- ^ Williams 2007 , p. 1789-1800.
- ↑ a b c d e f g Johnson , 1993 , pág. 25.25-25.27.
- ↑ a b c d e Johnson , 1993 , p. 25.2-25.4.
- ^ Williams 2007 , p. 739-755.
- ↑ a b c d e f g h i j Williams 2007 , p. 715-716.
- ^ Williams 2007 , p. 726-729.
- ^ Johnson 1993 , p. 25,5.
- ↑ a b c d e f g Laport , 1952 , pág. 77-80.
- ↑ a b Williams , 2007 , p. 713.
- ^ Williams 2007 , p. 717-718.
- ^ Johnson 1993 , p. 25.8-25.11.
- ^ Williams 2007 , p. 717.
- ↑ a b Williams , 2007 , p. 718-720.
- ↑ a b c d e Johnson , 1993 , p. 25.11-25.12.
- ↑ a b Lockwood, Stephen S .; Cox, Bobby L. "Nuevas herramientas para coubicar dispositivos inalámbricos con antenas AM" (PDF) . Kintronic Labs, Inc . Consultado el 7 de abril de 2020 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Kohlstedt, Kurt. "Inaudito: el colapso catastrófico de la torre más alta del mundo" . 99% invisible . Consultado el 7 de diciembre de 2020 .
- ^ Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la longitud de onda de transmisión óptima para una antena vertical sobre la Tierra perfecta" . Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. 12 (6): 833–839. doi : 10.1109 / JRPROC.1924.220011 . S2CID 51639724 . Consultado el 15 de abril de 2020 .
- ^ Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la resistencia a la radiación de una antena vertical simple en longitudes de onda por debajo de la fundamental" . Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. 12 (6): 823–832. doi : 10.1109 / JRPROC.1924.220010 . S2CID 51654399 . Consultado el 18 de abril de 2020 .
- ^ "Antena de mástil de media onda: Una estructura de 665 pies que constituye una nueva salida" (PDF) . Radio-Craft . Mount Morris, Illinois: Techni-Craft Publishing Corp. 3 (5): 269. Noviembre de 1931 . Consultado el 31 de agosto de 2014 .
- ^ Siemens, Frederick (diciembre de 1931). "Nueva" antena "inalámbrica" de WABC (PDF) . Noticias de radio . Nueva York: Teck Publishing Corp. 8 (6): 462–463 . Consultado el 26 de mayo de 2015 .
Referencias
- Johnson, Richard C. (1993). Manual de ingeniería de antenas, 3ª edición (PDF) . McGraw-Hill. ISBN 007032381X.
- Laport, Edmund A. (1952). Ingeniería de Antenas de Radio . McGraw-Hill Book Co.
- Smith, Brian W. (2007). Estructuras de comunicación . Thomas Telford. ISBN 9780727734006.
- Williams, Edmund, Ed. (2007). Manual de Ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores, 10ª Ed . Taylor y Francis. ISBN 9780240807515.
Ver también
- Mástiles y torres de radio
- Mástil guiado