Введение

Высокие сооружения, предназначенные для поддержки антенн.

Радиомачты и башни — это, как правило, высокие сооружения, предназначенные для поддержки антенн для телекоммуникаций и вещания, включая телевидение. Существуют два основных типа: мачты с оттяжками и самонесущие башни. Они входят в число самых высоких сооружений, созданных человеком. Мачты часто называют по именам вещательных организаций, которые первоначально их построили или в настоящее время их используют. Мачтовый излучатель или излучающая башня – это конструкция, в которой сама металлическая мачта или башня находится под напряжением и функционирует как передающая антенна.

Терминология

Термины "мачта" и "башня" часто используются как взаимозаменяемые. Однако, с точки зрения строительной инженерии, башня – это самонесущая или консольная конструкция, а мачта – конструкция, удерживаемая оттягами. Мачта – это оттяжная мачта, тонкая конструкция, не обладающая достаточной прочностью на сдвиг, чтобы стоять без поддержки, которая использует прикрепленные оттяжки для обеспечения устойчивости. Мачты могут быть установлены на земле или на крышах зданий. Типичные мачты изготавливаются из стальных решеток или трубчатой стали. Мачты, как правило, дешевле в строительстве, но требуют обширной территории вокруг них для размещения оттяжек. Башня – это самонесущая конструкция, которая также может быть установлена на крыше и выполняет ту же функцию – подъем излучающих антенн на рабочую высоту. Поскольку для закрепления оттяжек не требуется земельный участок, башни чаще используются в городах, где земля ограничена. Существуют также конструкции, которые являются частично самонесущими, а частично оттяжными, и называются дополнительно оттяжными башнями. Примеры: башня Гербренди состоит из самонесущей башни с мачтой на вершине. Башни Блау Нокс. Те немногие из этих башен, которые все еще стоят, устроены наоборот: они имеют оттяжную нижнюю секцию, увенчанную самонесущей частью. Зендстанция Смильде – это высокая башня с мачтой на вершине, оттяжки которой крепятся к земле. Торре де Коллсерола – это оттяжная башня с мачтой на вершине, где башенная часть не является самонесущей.

История

Первые эксперименты в области радиосвязи были проведены Гульельмо Маркони, начиная с 1894 года. В 1895–1896 годах он изобрел вертикальную антенну Маркони, которая изначально представляла собой провод, подвешенный на высоком деревянном столбе. Он обнаружил, что чем выше была подвешена антенна, тем дальше он мог осуществлять передачу, что стало первым признанием необходимости высоты для антенн. Радио начало использоваться в коммерческих целях для радиотелеграфной связи примерно в 1900 году. AM-радиовещание началось примерно в 1920 году. Выделение средних волн для вещания позволило использовать одиночные вертикальные мачты без верхней нагрузки. Антенной, используемой для вещания в 1920-х годах, была Т-образная антенна, состоявшая из двух мачт с загрузочными проводами сверху, натянутыми между ними, что требовало вдвое больших затрат на строительство и площади земли по сравнению с одной мачтой. Он обнаружил, что сопротивление излучения возрастает до максимума при длине, равной, следовательно, мачта такой длины имела входное сопротивление, значительно превышающее сопротивление земли, что уменьшало долю мощности передатчика, теряемую в заземляющей системе без использования емкостной верхней нагрузки. В другой работе того же года он показал, что количество мощности, излучаемой горизонтально в виде наземных волн, достигает максимума на высоте мачты, равной длине волны. В 1930-х годах было установлено, что алмазная форма башни Блау Нокс имела неблагоприятное распределение тока, которое увеличивало мощность, излучаемую под большими углами, вызывая многолучевое замирание в зоне приема.

Стальная решетка

Стальная решетчатая конструкция – наиболее распространенная форма сооружения. Она обеспечивает высокую прочность, малый вес, устойчивость к ветру и экономию материалов. Наиболее часто используются решетки треугочного сечения, также широко применяются квадратные решетки. Часто применяют мачты с оттяжками; поддерживающие оттяжки воспринимают поперечные нагрузки, такие как ветровые, позволяя мачте быть узкой и иметь простую конструкцию. При возведении в виде башни, конструкция может быть параллельной по сечению или сужаться на части или по всей высоте. Если башня состоит из нескольких секций, сужающихся экспоненциально по высоте, как, например, Эйфелева башня, её называют эйфелевой. Башня Кристалл-Палас в Лондоне является примером такой конструкции.

Трубчатая сталь

Мачты с расчалками иногда также изготавливаются из стальных труб. Этот тип конструкции имеет преимущество в том, что кабели и другие компоненты могут быть защищены от атмосферных воздействий внутри трубы, и, следовательно, конструкция может выглядеть более аккуратной. Эти мачты в основном используются для FM/ТВ-вещания, но иногда и в качестве излучающих мачт. Большой мачтой передающей станции Мюлакер является хорошим примером этого. Недостатком этого типа мачт является то, что они гораздо сильнее подвержены воздействию ветра, чем мачты с открытой конструкцией. Несколько трубчатых мачт обрушились. В Великобритании мачты телестанций Эмли-Мур и Уолтхэм рухнули в 1960-х годах. В Германии в 1985 году обрушился передатчик Бильштайн. Трубчатые мачты строились не во всех странах. В Германии, Франции, Великобритании, Чехии, Словакии, Японии и Советском Союзе было построено много трубчатых мачт с расчалками, в то время как в Польше и Северной Америке их почти нет. Несколько трубчатых мачт были построены в городах России и Украины. Эти мачты отличались горизонтальными поперечинами, идущими от центральной мачты к расчалкам, и были построены в 1960-х годах. Поперечины этих мачт оборудованы проходом для обслуживания, на котором размещаются небольшие антенны, хотя их основное назначение – демпфирование колебаний. Эти мачты имеют обозначение 30107 KM и используются исключительно для FM и ТВ, их высота варьируется, за одним исключением. Исключением является мачта в Виннице, высота которой составляет 354 м (1161 фут) и которая в настоящее время является самой высокой в мире трубчатой мачтой с расчалками после уменьшения высоты передающей станции Belmont в 2010 году.

Железный бетон

Строительство башен из железобетона относительно дорогостоящее, но обеспечивает высокую степень механической жесткости при сильных ветрах. Это особенно важно при использовании антенн с узкой диаграммой направленности, таких как применяемые для микроволновых каналов связи типа "точка-точка", а также когда башня предназначена для размещения людей. В 1950-х годах компания AT&T построила множество бетонных башен, больше похожих на силосы, чем на традиционные башни, для своего первого трансконтинентального микроволнового маршрута. В Германии и Нидерландах большинство башен, возведенных для каналов связи типа "точка-точка", построены из железобетона, в то время как в Великобритании преобладают решетчатые башни. Бетонные башни могут становиться престижными ориентирами, например, CN Tower в Торонто, Канада. Помимо размещения технического персонала, эти сооружения могут включать общественные пространства, такие как смотровые площадки или рестораны. На телебашне Катанга, расположенной недалеко от Джабалпура, штат Мадхья-Прадеш, в центральной Индии, размещен мощный передатчик для государственных телерадиокомпаний Doordarshan и Prasar Bharati. Штутгартская телебашня стала первой в мире башней, построенной из железобетона. Её спроектировал в 1956 году местный инженер-строитель Фриц Леонхардт.

Стекловолокно

Стекловолоконные мачты иногда используются для маломощных не направленных радиомаяков или средневолновых радиопередатчиков.

Углеродные волокна

Монополи и башни из углеродного волокна традиционно были слишком дорогими, но недавние усовершенствования в технологии производства углеродного волокна позволили создать решения, обладающие прочностью, в 10 раз превышающей прочность стали, при этом вес составляет лишь 30% от веса стали (на 70% меньше). Это позволило возводить монополи и башни в местах, которые были слишком дорогими или труднодоступными для тяжелой подъемной техники, необходимой при строительстве стальных конструкций. В целом, возведение конструкции из углеродного волокна происходит на 40–50% быстрее, чем из традиционных строительных материалов.

Дерево

С 2022 года древесина, ранее часто используемый материал для строительства телекоммуникационных вышек, стала набирать популярность. В 2022 году в Италии была возведена первая в стране деревянная телекоммуникационная башня, заменившая собой существующую стальную конструкцию, чтобы гармонично вписаться в лесной ландшафт. Одной из основных причин, по которой телекоммуникационные компании выбирают древесину, является то, что это единственный материал в отрасли с положительным влиянием на климат. По этой причине некоторые поставщики опор начали предлагать деревянные башни для удовлетворения растущего спроса на инфраструктуру 5G. Например, в Соединенных Штатах дистрибьютор деревянных опор Bell Lumber & Pole начал разрабатывать продукцию для телекоммуникационной отрасли.

Поляки

Более короткие мачты могут состоять из самоподдерживающегося или оттяжного деревянного столба, похожего на телеграфный. Иногда используются самоподдерживающиеся трубчатые оцинкованные стальные столбы: их также называют монопольными мачтами.

Здания

В некоторых случаях возможно установить передающие антенны на крышах высоких зданий. Например, в Северной Америке передающие антенны установлены на Эмпайр-стейт-билдинг, Уиллис-тауэр, Пруденциал-тауэр, 4 Таймс-сквер и Всемирном торговом центре. Северная башня первоначального Всемирного торгового центра также имела телекоммуникационную антенну на крыше, построенную в 1978–1979 годах, и начала вещание в 1980 году. Когда здания обрушились, несколько местных теле- и радиостанций прекратили вещание, пока не были введены в эксплуатацию резервные передатчики. Аналогичные сооружения существуют и в Европе, особенно для служб мобильной радиосвязи и маломощных FM-радиостанций. В Лондоне в 1936 году BBC установила мачту для трансляции раннего телевидения на одной из башен викторианского здания Александра-Палас, которая до сих пор используется.

Скрытые ячейки

Иногда маскируемые базовые станции могут быть установлены в местах, где требуется минимальное визуальное воздействие, путем придания им вида деревьев, дымоходов или других распространенных конструкций. Многие люди считают голые вышки сотовой связи неэстетичными и нарушающими облик их районов. Несмотря на растущую зависимость от сотовой связи, люди выступают против того, чтобы голые вышки портили живописные виды. Многие компании предлагают "маскировать" вышки сотовой связи, интегрируя их в деревья, церковные башни, флагштоки, резервуары для воды и другие объекты. Многие поставщики предлагают эти услуги как часть стандартного сервиса по установке и обслуживанию вышек. Обычно их называют "незаметными вышками", "маскировочными установками" или просто скрытыми базовыми станциями. Степень детализации и реалистичности, достигаемая при маскировке вышек сотовой связи, поразительна; например, вышки, замаскированные под деревья, практически неотличимы от настоящих. Такие вышки могут быть незаметно размещены в национальных парках и других охраняемых территориях, например, вышки, замаскированные под кактусы в национальном лесу Коронадо в США. Однако даже при маскировке такие вышки могут вызывать споры; вышка, одновременно являющаяся флагштоком, вызвала споры в 2004 году в связи с президентской кампанией в США, подчеркнув мнение, что такая маскировка служит скорее для скрытой установки вышек, в обход общественного контроля, чем для улучшения ландшафта.

Радиаторы мачты

Мачтовый излучатель или мачтовая антенна — это радиомачта или башня, в которой вся конструкция является антенной. Мачтовые антенны — это передающие антенны, обычно используемые для длинно- и средневолнового вещания. Конструктивно, единственное различие заключается в том, что некоторым мачтовым излучателям требуется изоляция основания мачты от земли. В случае изолированной башни, как правило, используется по одному изолятору для поддержки каждой опоры. Однако некоторые конструкции мачтовых антенн не требуют изоляции, поэтому изоляция основания не является обязательной характеристикой.

Баллоны и воздушные змеи

Завязанный воздушный шар или воздушный змей могут служить временной опорой. Он может поднимать антенну или провод (для VLF, LW или MW) на необходимую высоту. Подобная конструкция иногда используется военными ведомствами или радиолюбителями. Американская телекомпания TV Martí осуществляла телевизионное вещание на Кубу с помощью такого воздушного шара.

Беспилотники

В 2013 году возник интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов (дронов) в телекоммуникационных целях.

Другие специальные структуры

Для двух передатчиков СНЧ используются проволочные антенны, натянутые через глубокие долины. Они поддерживаются небольшими мачтами, башнями или скальными анкерами. Такая же техника применялась и на радиостанции Криггион. Для передатчиков СНЧ используются наземные дипольные антенны. Такие сооружения не требуют высоких мачт. Они состоят из двух электродов, заглубленных в землю на расстояние не менее нескольких десятков километров друг от друга. От здания передатчика к электродам проложены воздушные линии питания. Эти линии выглядят как линии электропередач напряжением 10 кВ и устанавливаются на аналогичных опорах.

Экономические и эстетические соображения

Стоимость мачты или башни приблизительно пропорциональна квадрату её высоты. Мачта с оттяжками обходится дешевле в строительстве, чем самонесущая башня той же высоты. Мачте с оттяжками требуется дополнительная площадь для их размещения, поэтому она лучше всего подходит для сельской местности, где земля относительно недорогая. Самонесущая башня может быть установлена на гораздо меньшем участке. Башня из стальной решетчатой конструкции обходится дешевле в строительстве, чем бетонная башня той же высоты. Две небольшие башни могут быть менее заметными визуально, чем одна большая, особенно если они выглядят идентично. Башни выглядят менее непривлекательно, если они и установленные на них антенны выглядят симметрично. Бетонные башни могут быть построены с учетом эстетических требований. Иногда их возводят в заметных местах и оборудуют смотровыми площадками или ресторанами.

Мачты для антенн высокого частота/коротких волн

Для передачи в коротковолновом диапазоне особого выигрыша от подъема антенны выше половины или трех четвертей длины волны над уровнем земли не достигается, а на более низких частотах и больших длинах волн высота становится практически нереализуемой (превышающей ). Коротковолновые передатчики редко используют мачты высотой более 100 метров.

Доступ для буровых машин

Поскольку мачты, башни и установленные на них антенны требуют технического обслуживания, необходим доступ ко всей конструкции. К небольшим сооружениям обычно осуществляется доступ по лестнице. Более крупные сооружения, которые, как правило, требуют более частого обслуживания, могут быть оборудованы лестницами и иногда лифтом, также называемым сервисным лифтом.

Системы предупреждения воздушных судов

Высокие сооружения, превышающие установленные законодательством предельные высоты, часто оснащаются авиационными предупредительными огнями, как правило, красного цвета, для предупреждения пилотов об их наличии. Ранее для максимального увеличения срока службы ламп использовались прочные лампы накаливания с защитной конструкцией. В качестве альтернативы применялись неоновые лампы. В настоящее время в таких огнях чаще всего используются светодиодные матрицы. Требования к высоте различаются в разных штатах и странах и могут включать дополнительные правила, например, использование белого мигающего стробоскопа днем и пульсирующих красных огней ночью. Сооружения, превышающие определенную высоту, также могут быть окрашены в контрастные цветовые схемы, такие как бело-оранжевая или бело-красная, для повышения их видимости на фоне неба.

Световое загрязнение и вредное освещение

В некоторых странах, где проблема светового загрязнения вызывает опасения, может быть ограничена высота вышек, чтобы снизить или устранить необходимость в авиационных предупредительных огнях. Например, в Соединенных Штатах Закон о телекоммуникациях 1996 года позволяет местным органам власти устанавливать максимальную высоту вышек, например, ограничивая ее до 200 футов (61 м) и, таким образом, отменяя требование об авиационном освещении согласно правилам Федеральной комиссии по связи США (FCC).

Колебания, вызванные ветром

Одна из проблем радиомачт — опасность ветроиндуцированных колебаний. Это особенно актуально для конструкций из стальных труб. Эту опасность можно снизить, интегрируя в конструкцию цилиндрические демпферы колебаний. Такие демпферы, выглядящие как цилиндры большего диаметра, чем мачта, можно увидеть, например, на радиомачтах DHO38 в Сатерланде. Существуют также конструкции, состоящие из отдельно стоящей башни, обычно железобетонной, на которую устанавливается оттяжная радиомачта. Примером такой конструкции является башня Гербранди в Лопике (Нидерланды). Другие башни, построенные по этой технологии, можно найти вблизи Смильды (Нидерланды) и телебашня в Вальденбурге (Германия).

Опасность для птиц

Радио, телевидение и вышки сотовой связи задокументированы как источник опасности для птиц. Публиковались отчеты, в которых зафиксированы случаи гибели птиц и содержится призыв к проведению исследований для поиска способов минимизировать эту опасность, исходящую от коммуникационных вышек. Также известны случаи, когда редкие птицы гнездились на вышках сотовой связи, что препятствовало проведению ремонтных работ в соответствии с законодательством, направленным на их защиту.