Вышка-излучатель: устройство и принципы работы.

Введение

Тип радиочастотной антенны

Мачтовый излучатель (или излучающая башня) — это радиомачта или башня, в которой сама металлическая конструкция находится под напряжением и функционирует как антенна. Эта конструкция, впервые получившая широкое распространение в 1930-х годах, обычно используется для передающих антенн, работающих на низких частотах, в диапазонах LF и MF, особенно для станций AM-радиовещания. Проводящая стальная мачта электрически соединена с передатчиком. Ее основание обычно устанавливается на непроводящую опору для изоляции от земли. Мачтовый излучатель является разновидностью монопольной антенны.

Конструкция здания

Большинство излучающих мачт строятся как мачты с расчалками. Стальные решетчатые мачты треугольного сечения – наиболее распространенный тип. Также иногда используются квадратные решетчатые мачты и трубчатые мачты. Для обеспечения электрической непрерывности всей конструкции, секции мачты электрически соединяются в местах соединений короткими медными перемычками, припаянными с каждой стороны или выполненными методом "сварки плавлением" (дуговой сваркой) по всей поверхности сопрягающихся фланцев. Мачты с питанием от основания, являющиеся наиболее распространенным типом, должны быть изолированы от земли. В основании мачты обычно устанавливается толстый керамический изолятор, обладающий достаточной прочностью на сжатие для поддержки веса мачты и диэлектрической прочностью для выдерживания высокого напряжения, подаваемого передатчиком. Радиочастотная мощность для питания антенны подается через согласующее устройство, обычно размещенное в антенном тюнинговом помещении возле основания мачты, а кабель, подающий ток, просто прикручивается или припаивается к мачте. Сам передатчик обычно находится в отдельном здании и подает радиочастотную мощность в тюнинговое помещение по линии передачи. Для обеспечения устойчивости мачты к ней крепятся натянутые расчалки, обычно комплектами по 3 под углом 120°, которые закрепляются в земле, как правило, бетонными анкерами. Для придания мачте жесткости и предотвращения изгиба используются несколько комплектов расчалок (от 2 до 5) на разных уровнях. В расчалки вставлены натяжные изоляторы, обычно в верхней части, вблизи точки крепления к мачте, для изоляции токоведущего кабеля от мачты и предотвращения попадания высокого напряжения с мачты на землю. Несмотря на изоляцию от мачты, токоведущие расчалки могут электрически функционировать как резонансные антенны (паразитные элементы), поглощая и переизлучая радиоволны от мачты, что искажает диаграмму направленности антенны. Для предотвращения этого в расчалках устанавливаются дополнительные натяжные изоляторы через определенные интервалы, чтобы разделить линию на нерезонансные участки: обычно длина сегментов должна быть ограничена максимум одной восьмой – одной десятой длины волны. Излучающие мачты также могут быть построены как свободно стоящие решетчатые башни, широкие в основании для устойчивости и сужающиеся к тонкой мачте. Преимущество этой конструкции заключается в отсутствии расчалок и, следовательно, в уменьшении необходимой площади земли. Эти башни могут иметь треугольное или квадратное поперечное сечение, при этом каждая опора поддерживается на изоляторе. Недостатком является то, что широкое основание башни искажает вертикальный ток на мачте, уменьшая сопротивление излучению и, следовательно, излучаемую мощность, поэтому предпочтительнее использовать мачты с расчалками. Обычно национальный орган по радиосвязи имеет полномочия по регулированию проектирования и эксплуатации радиомачт, в дополнение к местным строительным нормам, охватывающим конструктивные решения. В США эту функцию выполняет Федеральная комиссия по связи (FCC). Планы мачты должны быть одобрены регулирующими органами перед началом строительства.

Most mast radiators are built as guyed masts. Steel lattice masts of triangular cross section are the most common type. Square lattice masts and tubular masts are also sometimes used. To ensure that the tower is a continuous conductor, the tower's structural sections are electrically bonded at the joints by short copper jumpers which are soldered to each side or "fusion" (arc) welds across the mating flanges. Base fed masts, the most common type, must be insulated from the ground. At its base, the mast is usually mounted on a thick ceramic insulator, which has the compressive strength to support the tower's weight and the dielectric strength to withstand the high voltage applied by the transmitter. The RF power to drive the antenna is supplied by a impedance matching network, usually housed in an antenna tuning hut near the base of the mast, and the cable supplying the current is simply bolted or brazed to the tower. The actual transmitter is usually located in a separate building, which supplies RF power to the tuning hut via a transmission line. To keep it upright the mast has tensioned guy wires attached, usually in sets of 3 at 120° angles, which are anchored to the ground usually with concrete anchors. Multiple sets of guys (from 2 to 5) at different levels are used to make the tower rigid against buckling. The guy lines have strain insulators inserted, usually at the top near the attachment point to the mast, to insulate the conductive cable from the mast, preventing the high voltage on the tower from reaching the ground. Even though they are insulated from the mast the conductive guy cables can act electrically as resonant antennas (parasitic elements), absorbing and reradiating radio waves from the mast, disturbing the radiation pattern of the antenna. To prevent this, additional strain insulators are inserted at intervals in the guy cables to divide the line into nonresonant lengths: Usually segments should be limited to a maximum of one eighth to one tenth wavelength
Mast radiators can also be built as free standing lattice towers, wide at the bottom for stability, narrowing to a slender mast. The advantage of this construction is the elimination of guy lines and thus reduction in land area required. These towers can have a triangular or a square cross section, with each leg supported on an insulator. A disadvantage is the wide base of the tower distorts the vertical current pattern on the tower, reducing the radiation resistance and therefore the radiated power, so guyed masts are preferred. A country's national radio ministry usually has regulatory authority over the design and operation of radio masts, in addition to local building codes which cover structural design. In the US this is the Federal Communications Commission (FCC). Plans for a mast must be approved by regulators before building.

Электрическая конструкция

Радиатор с одной мачтой – это всенаправленная антенна, излучающая одинаковую мощность радиоволн во всех горизонтальных направлениях. Мачтовые радиаторы излучают вертикально поляризованные радиоволны, при этом большая часть мощности излучается под малыми углами возвышения. В диапазонах средней частоты (MF) и низкой частоты (LF) AM-радиостанции охватывают свою зону покрытия, используя наземные волны – вертикально поляризованные радиоволны, распространяющиеся близко к поверхности земли и повторяющие рельеф местности. Мачтовые радиаторы хорошо подходят для работы в качестве антенн, излучающих наземные волны, и являются основным типом передающих антенн, используемых AM-радиостанциями, а также другими радиослужбами в диапазонах MF и LF. Они также способны излучать достаточную мощность под большими углами возвышения для распространения радиоволн посредством отражения от ионосферы (skip). Большинство радиостанций используют одиночные мачты. Несколько мачт, питаемых радиотоком с различными фазами, могут быть использованы для создания направленных антенн, излучающих большую мощность в определенных направлениях.

Высота мачты и радиационный режим

Идеальная высота излучающей мачты зависит от частоты передачи, географического распределения аудитории и рельефа местности. Несекционированная излучающая мачта представляет собой монопольную антенну, и её вертикальная диаграмма направленности – количество мощности, излучаемое под различными углами возвышения – определяется её высотой по отношению к длине волны радиоволн, равной скорости света, делённой на частоту. Высота мачты обычно указывается в долях длины волны или в "электрических градусах", где каждый градус равен метрам. Распределение тока по мачте определяет диаграмму направленности. Радиочастотный ток поднимается по мачте и отражается от вершины, а прямой и отражённый токи интерферируют, создавая приблизительно синусоидальную стоячую волну на мачте с узлом (точкой нулевого тока) наверху и максимумом на расстоянии четверти длины волны вниз, где ток на высоте электрических градусов над землёй равен максимальному току. На высотах, немного меньших кратных четверти длины волны (G = 90°, 180°, 270°), мачта находится в резонансе; на этих высотах антенна представляет собой чистое сопротивление линии передачи, что упрощает согласование импеданса линии передачи с импедансом антенны. При других длинах антенна имеет ёмкостное или индуктивное реактивное сопротивление. Однако мачты этих длин могут эффективно питаться путём компенсации реактивного сопротивления антенны сопряжённым реактивным сопротивлением в согласующей сети в антенном доме. Из-за конечной толщины мачты, сопротивления и других факторов фактический антенный ток на мачте значительно отличается от идеальной синусоиды, предполагаемой выше, и, как показано на графике, резонансные длины типичной башни ближе к 80°, 140° и 240°. Наземные волны распространяются горизонтально от антенны, расположенной вблизи земли, поэтому целью большинства конструкций мачт является излучение максимального количества энергии в горизонтальном направлении. Идеальная монопольная антенна излучает максимальную мощность в горизонтальном направлении на высоте 225 электрических градусов, примерно 0,625 длины волны (это приближение, справедливое для типичной мачты конечной толщины; для бесконечно тонкой мачты максимум достигается при = 0,637). Как показано на диаграмме, на высотах ниже половины длины волны (180 электрических градусов) диаграмма направленности антенны имеет одну главную лепестку с максимумом в горизонтальном направлении. На высотах выше половины длины волны диаграмма разделяется и имеет второй лепесток, направленный в небо под углом около 60°. Причина, по которой горизонтальное излучение максимально на уровне 0,625, заключается в том, что при немного более чем половине длины волны излучение противоположной фазы от двух лепестков деструктивно интерферирует и гасится на высоких углах возвышения, в результате чего большая часть мощности излучается в горизонтальном направлении. Высоты выше 0,625 обычно не используются, поскольку выше этого уровня мощность, излучаемая в горизонтальном направлении, быстро уменьшается из-за увеличения мощности, теряемой в небо во втором лепестке. Для мачт средневолнового AM-диапазона 0,625 будет соответствовать высоте , а для длинноволновых мачт – большей высоте. Высокая стоимость строительства таких высоких мачт означает, что часто используются более короткие мачты. Приведённое выше описывает диаграмму направленности идеально проводящей мачты над идеально проводящей землёй. Фактическая сила принимаемого сигнала в любой точке на земле определяется двумя факторами: мощностью, излучаемой антенной в этом направлении, и затуханием сигнала на пути между передающей антенной и приёмником, которое зависит от проводимости грунта. Процесс проектирования реальной радиомачты обычно включает в себя исследование проводимости почвы, а затем использование компьютерной программы моделирования антенны для расчёта карты силы сигнала, создаваемой фактическими коммерчески доступными мачтами на реальной местности. Эта карта сравнивается с распределением аудитории, чтобы найти оптимальную конструкцию.

The ideal height of a mast radiator depends on transmission frequency , the geographical distribution of the listening audience, and terrain. An unsectionalized mast radiator is a monopole antenna, and its vertical radiation pattern, the amount of power it radiates at different elevation angles, is determined by its height compared to the wavelength of the radio waves, equal to the speed of light divided by the frequency The height of the mast is usually specified in fractions of the wavelength, or in "electrical degrees"

where each degree equals meters. The current distribution on the mast determines the radiation pattern. The radio frequency current flows up the mast and reflects from the top, and the direct and reflected current interfere, creating an approximately sinusoidal standing wave on the mast with a node (point of zero current) at the top and a maxima one quarter wavelength down

where is the current at a height of electrical degrees above the ground, and is the maximum current. At heights of a little less than a multiple of a quarter wavelength, (G = 90°, 180°, 270° ) the mast is resonant; at these heights the antenna presents a pure resistance to the feedline, simplifying impedance matching the feedline to the antenna. At other lengths the antenna has capacitive reactance or inductive reactance. However masts of these lengths can be fed efficiently by cancelling the reactance of the antenna with a conjugate reactance in the matching network in the helix house. Due to the finite thickness of the mast, resistance, and other factors the actual antenna current on the mast differs significantly from the ideal sine wave assumed above, and as shown by the graph, resonant lengths of a typical tower are closer to 80°, 140°, and 240°. Ground waves travel horizontally away from the antenna just above the ground, therefore the goal of most mast designs is to radiate a maximum amount of power in horizontal directions. An ideal monopole antenna radiates maximum power in horizontal directions at a height of 225 electrical degrees, about or 0.625 of a wavelength (this is an approximation valid for a typical finite thickness mast; for an infinitely thin mast the maximum occurs at = 0.637) As shown in the diagram, at heights below a half wavelength (180 electrical degrees) the radiation pattern of the antenna has a single lobe with a maximum in horizontal directions. At heights above a half wavelength the pattern splits and has a second lobe directed into the sky at an angle of about 60°. The reason horizontal radiation is maximum at 0.625 is that at slightly above a half wavelength, the opposite phase radiation from the two lobes interferes destructively and cancels at high elevation angles, causing most of the power to be emitted in horizontal directions. Heights above 0.625 are not generally used because above this the power radiated in horizontal directions decreases rapidly due to increasing power wasted into the sky in the second lobe. For medium wave AM broadcast band masts 0.625 would be a height of , and taller for longwave masts. The high construction costs of such tall masts mean frequently shorter masts are used. The above gives the radiation pattern of a perfectly conducting mast over perfectly conducting ground. The actual strength of the received signal at any point on the ground is determined by two factors, the power radiated by the antenna in that direction and the path attenuation between the transmitting antenna and the receiver, which depends on ground conductivity. The design process of an actual radio mast usually involves doing a survey of soil conductivity, then using an antenna simulation computer program to calculate a map of signal strength produced by actual commercially available masts over the actual terrain. This is compared with the audience population distribution to find the best design.

Противобледневные конструкции

Вторая цель проектирования, влияющая на высоту, – снижение многолучевого затухания в зоне приема. Часть радиоэнергии, излучаемой под углом в небо, отражается слоями заряженных частиц в ионосфере и возвращается на Землю в зоне приема. Это явление называется небесной волной. На определенных расстояниях от антенны эти радиоволны находятся в противофазе с наземными волнами, и две радиоволны интерферируют деструктивно, частично или полностью гася друг друга и уменьшая силу сигнала. Это называется затуханием. Ночью, когда ионосферное отражение наиболее сильное, это приводит к образованию кольцевой области с пониженной силой сигнала вокруг антенны, где прием может быть недостаточным, иногда называемой "зоной молчания", "зоной затухания" или "зоной нечеткого приема". Однако многолучевое затухание становится значительным только в том случае, если мощность сигнала небесной волны составляет примерно 50% (3 дБ) от мощности сигнала наземной волны. Незначительное уменьшение высоты монополя позволяет снизить мощность, излучаемую во второй доле, до уровня, достаточного для устранения многолучевого затухания, при этом горизонтальное усиление уменьшается лишь в небольшой степени. Оптимальная высота составляет около 190 электрических градусов или 0,53, поэтому это еще одна распространенная высота для мачт.

Мачты секционированные

Тип мачты с улучшенными характеристиками подавления замираний – секционированная мачта, также называемая мачтой, подавляющей замирания. В секционированной мачте изоляторы в вертикальных несущих элементах разделяют мачту на две вертикально расположенные проводящие секции, которые питаются в фазе от отдельных линий питания. Это увеличивает долю мощности, излучаемой в горизонтальной плоскости, и позволяет строить мачты высотой более 0,625 длины волны без чрезмерного излучения под высоким углом. В настоящее время успешно эксплуатируются практические секционные конструкции высотой 120 по 120 градусов, 180 по 120 градусов и 180 по 180 градусов.

Мачты с коротким электрическим током

Нижний предел частоты, при которой могут использоваться мачтовые излучатели, обусловлен низкочастотным диапазоном из-за растущей неэффективности мачт, высота которых меньше четверти длины волны. При уменьшении частоты длина волны увеличивается, что требует более высокой антенны для достижения заданной доли длины волны. Стоимость строительства и необходимая площадь земли возрастают с высотой, что накладывает практические ограничения на высоту мачты. Мачты чрезмерной высоты обходятся дорого, и построено их немного; самые высокие мачты в мире достигают высоты около . Дополнительным ограничением в некоторых районах являются ограничения по высоте конструкций; вблизи аэропортов авиационные власти могут ограничивать максимальную высоту мачт. Эти ограничения часто требуют использования мачты, которая ниже оптимальной высоты. Антенны, значительно короче основной резонансной длины, равной четверти длины волны (0,25, 90 электрических градусов), называются электрически короткими антеннами. Электрически короткие антенны являются эффективными излучателями; усиление даже короткой антенны очень близко к усилению четвертьволновой антенны. Однако их сложно эффективно возбуждать из-за их низкого сопротивления излучению. Сопротивление излучению антенны – электрическое сопротивление, представляющее мощность, излучаемую в виде радиоволн – составляет около 25–37 Ом при четверти длины волны и уменьшается ниже четверти длины волны пропорционально квадрату отношения высоты мачты к длине волны. Другие электрические сопротивления в антенной системе, омическое сопротивление мачты и сопротивление системы заземления, включены последовательно с сопротивлением излучению, и мощность передатчика распределяется между ними пропорционально. При уменьшении сопротивления излучению большая часть мощности передатчика рассеивается в виде тепла в этих сопротивлениях, что снижает эффективность антенны. Мачты высотой менее 0,17 (60 электрических градусов) используются редко. При такой высоте сопротивление излучению составляет около 10 Ом, поэтому типичное сопротивление системы заземления, 2 Ом, составляет около 20% от сопротивления излучению, и, следовательно, ниже этой высоты более 20% мощности передатчика теряется в системе заземления. Вторая проблема, связанная с электрически короткими мачтами, заключается в том, что их емкостное реактивное сопротивление велико, что требует использования большой нагрузочной катушки в антенном тюнере для его компенсации и обеспечения резонанса мачты. Высокая реактивность в сочетании с низким сопротивлением приводит к высокому доброкачественному фактору (Q) антенны; антенна и катушка ведут себя как высокодобротный колебательный контур, что уменьшает полезную полосу пропускания антенны. На более низких частотах мачтовые излучатели заменяются более сложными емкостно-нагруженными антеннами, такими как Т-образная или зонтичная антенна, которые могут иметь более высокую эффективность.

The lower limit to the frequency at which mast radiators can be used is in the low frequency band, due to the increasing inefficiency of masts shorter than a quarter wavelength. As frequency decreases the wavelength increases, requiring a taller antenna to make a given fraction of a wavelength. Construction costs and land area required increase with height, putting a practical limit on mast height. Masts over are prohibitively expensive and very few have been built; the tallest masts in the world are around Another constraint in some areas is height restrictions on structures; near airports aviation authorities may limit the maximum height of masts. These constraints often require a mast be used that is shorter than the ideal height. Antennas significantly shorter than the fundamental resonant length of one quarter of the wavelength (0.25, 90 electrical degrees) are called electrically short antennas. Electrically short antennas are efficient radiators; the gain of even a short antenna is very close to that of a quarter wave antenna. However they cannot be driven efficiently due to their low radiation resistance. The radiation resistance of the antenna, the electrical resistance which represents power radiated as radio waves, which is around 25–37 ohms at one quarter wavelength, decreases below one quarter wavelength with the square of the ratio of mast height to wavelength. Other electrical resistances in the antenna system, the ohmic resistance of the mast and the buried ground system, are in series with the radiation resistance, and the transmitter power divides proportionally between them. As the radiation resistance decreases more of the transmitter power is dissipated as heat in these resistances, reducing the efficiency of the antenna. Masts shorter than 0.17 (60 electrical degrees) are seldom used. At this height, the radiation resistance is about 10 ohms, so the typical resistance of a buried ground system, 2 ohms, is about 20% of the radiation resistance, so below this height over 20% of the transmitter power is wasted in the ground system. A second problem with electrically short masts is that the capacitive reactance of the mast is high, requiring a large loading coil in the antenna tuner to tune it out and make the mast resonant. The high reactance vs the low resistance give the antenna a high Q factor; the antenna and coil act as a high Q tuned circuit, reducing the usable bandwidth of the antenna. At lower frequencies mast radiators are replaced by more elaborate capacitively toploaded antennas such as the T antenna or umbrella antenna which can have higher efficiency.

Поверхние емкостные нагрузки

В случаях, когда необходимо использовать короткие мачты, на вершине мачты иногда устанавливают емкостную верхнюю нагрузку (также известную как "top hat" или емкостная шапка) для увеличения излучаемой мощности. Это круглый экран из горизонтальных проводов, расходящихся радиально от вершины антенны. Он функционирует как пластина конденсатора; увеличенный ток в мачте, необходимый для зарядки и разрядки емкости верхней нагрузки в каждом RF-цикле, повышает излучаемую мощность. Поскольку верхняя нагрузка электрически эквивалентна дополнительной длине мачты, этот процесс называется "электрическим удлинением" антенны. Другой способ создания емкостной шапки – использование участков верхнего тросового набора, путем установки натяжных изоляторов в тросе на небольшом расстоянии от мачты. Емкостные шапки структурно ограничены эквивалентом 15-30 градусов дополнительной электрической высоты.

Система заземления

Для мачтовых излучателей земля под мачтой является частью антенны; ток, подаваемый на мачту, проходит через воздух в землю под антенной в виде тока смещения (электрического поля). Земля также служит отражающей поверхностью для радиоволн. Антенна питается между основанием мачты и землей, поэтому для обеспечения контакта с почвой и сбора обратного тока требуется система заземления (заземления) под антенной. Одна сторона питающей линии от антенного блока присоединяется к мачте, а другая – к системе заземления. Система заземления включена последовательно с антенной и несет полный антенный ток, поэтому для обеспечения эффективности ее сопротивление должно быть низким, менее двух Ом, и она состоит из сети кабелей, проложенных в земле. Поскольку для всенаправленной антенны токи в земле распространяются радиально к точке заземления со всех сторон, система заземления обычно представляет собой радиальную схему проложенных кабелей, расходящихся от основания мачты во всех направлениях и соединенных с заземляющим проводом в клемме рядом с основанием. Мощность передатчика, теряемая на сопротивлении земли, и, следовательно, эффективность антенны, зависят от проводимости почвы. Она сильно варьируется: болотистая местность или водоемы, особенно соленая вода, обеспечивают наименьшее сопротивление. Плотность ВЧ-тока в земле, а следовательно, и потери мощности на квадратный метр, увеличиваются по мере приближения к заземляющей клемме у основания мачты. Поэтому радиальную систему заземления можно рассматривать как замену почвы средой с более высокой проводимостью – медью – в тех частях земли, где наблюдается высокая плотность тока, для снижения потерь мощности. Стандартная широко используемая система заземления, одобренная Федеральной комиссией по связи США (FCC), состоит из 120 равномерно расположенных радиальных заземляющих проводов, простирающихся на четверть длины волны (0,25, 90 электрических градусов) от мачты. Обычно используется медный провод 10-го калибра, мягкой вытяжки, проложенный на значительную глубину. Для мачт AM-диапазона это требует круглой земельной площади, простирающейся от мачты. Обычно она засевается травой, которую регулярно подстригают, так как высокая трава может увеличить потери мощности в определенных условиях. Если площадь земли вокруг мачты слишком ограничена для таких длинных радиалов, в большинстве случаев их можно заменить большим количеством более коротких радиалов. Металлическая опора под мачтовым изолятором соединена с системой заземления проводящими металлическими полосами, чтобы на бетонной плите, поддерживающей мачту, не возникало напряжения, поскольку бетон обладает плохими диэлектрическими свойствами. Для мачт высотой около половины длины волны (180 электрических градусов) у основания мачты возникает максимум напряжения (антинод), что приводит к сильным электрическим полям в земле над заземляющими проводами вблизи мачты, где ток смещения входит в землю. Это может привести к значительным диэлектрическим потерям мощности в земле. Для уменьшения этих потерь в таких антеннах часто используется проводящий медный экран вокруг мачты, соединенный с проложенными в земле проводами, который либо лежит на земле, либо поднят на несколько футов, чтобы защитить землю от электрического поля. Другое решение – увеличить количество заземляющих проводов вблизи мачты и очень неглубоко закопать их в поверхностный слой асфальтового покрытия, которое обладает низкими диэлектрическими потерями.

For mast radiators the earth under the mast is part of the antenna; the current fed to the mast passes through the air into the ground under the antenna as displacement current (electric field). The ground also serves as a ground plane to reflect the radio waves. The antenna is fed power between the bottom of the mast and ground so it requires a grounding (Earthing) system under the antenna to make contact with the soil to collect the return current. One side of the feedline from the helix house is attached to the mast, and the other side to the ground system. The ground system is in series with the antenna and carries the full antenna current, so for efficiency its resistance must be kept low, under two ohms, so it consists of a network of cables buried in the earth. Since for an omnidirectional antenna the Earth currents travel radially toward the ground point from all directions, the grounding system usually consists of a radial pattern of buried cables extending outward from the base of the mast in all directions, connected together to the ground lead at a terminal next to the base. The transmitter power lost in the ground resistance, and so the efficiency of the antenna, depends on the soil conductivity. This varies widely; marshy ground or ponds, particularly salt water, provide the lowest resistance ground. The RF current density in the earth, and thus the power loss per square meter, increases the closer one gets to the ground terminal at the base of the mast, so the radial ground system can be thought of as replacing the soil with a higher conductivity medium, copper, in the parts of the ground carrying high current density, to reduce power losses. A standard widely used ground system acceptable to the US Federal Communications Commission (FCC) is 120 equally spaced radial ground wires extending out one quarter of a wavelength (.25, 90 electrical degrees) from the mast. No. 10 gauge soft drawn copper wire is typically used, buried deep. For AM broadcast band masts this requires a circular land area extending from the mast This is usually planted with grass, which is kept mowed short as tall grass can increase power loss in certain circumstances. If the land area around the mast is too limited for such long radials, they can in many cases be replaced by a greater number of shorter radials. The metal support under the mast insulator is bonded to the ground system with conductive metal straps so no voltage appears across the concrete pad supporting the mast, as concrete has poor dielectric qualities. For masts near a half wavelength high (180 electrical degrees) the mast has a voltage maximum (antinode) near its base, which results in strong electric fields in the earth above the ground wires near the mast where the displacement current enters the ground. This can cause significant dielectric power losses in the earth. To reduce this loss these antennas often use a conductive copper ground screen around the mast connected to the buried ground wires, either lying on the ground or elevated a few feet, to shield the ground from the electric field. Another solution is to increase the number of ground wires near the mast and bury them very shallowly in a surface layer of asphalt pavement, which has low dielectric losses.

Ограждение

Радиаторы с мачтой на заземлении имеют высокое напряжение на основании мачты, которое может привести к опасному электрическому удару для заземленного человека, прикоснувшегося к ней. Потенциал на мачте обычно составляет несколько тысяч вольт относительно земли. Электротехнические нормы требуют, чтобы такое открытое высоковольтное оборудование было ограждено от доступа посторонних, поэтому мачта и антенно-аппаратная будка окружены запирающимся забором. Обычно используется сетчатый забор, но иногда применяются деревянные заборы, чтобы предотвратить искажение диаграммы направленности антенны токами, наведенными в металлическом заборе. Альтернативным решением является установка мачты на крышу антенно-аппаратной будки, вне досягаемости для посторонних, что устраняет необходимость в заборе.

Сигнальные огни для самолетов

Антенные мачты достаточно высоки, чтобы представлять опасность для воздушных судов. Авиационные правила предписывают окрашивать мачты чередующимися полосами международно-оранжевого и белого цветов, а также оснащать их предупреждающими огнями по всей длине для повышения их видимости. Правилами также предусмотрено мигающее освещение на вершине мачты и, в зависимости от ее высоты, в нескольких точках вдоль ее длины. Высокое радиочастотное напряжение на мачте создает проблему при питании предупреждающих огней: кабель питания, идущий от огней вниз по мачте к сети электропитания, находится под высоким RF-потенциалом мачты. Без защитного оборудования он будет проводить радиочастотный (РЧ) ток к заземлению сети переменного тока, вызывая короткое замыкание мачты. Для предотвращения этого в основании мачты в кабель питания освещения устанавливается защитный изолятор, который блокирует РЧ-ток, пропуская при этом низкочастотный переменный ток 50 или 60 Гц. Используются различные типы изоляторов: трансформатор Остина – это специализированный изоляционный трансформатор, разработанный специально для этой цели, в котором первичная и вторичная обмотки разделены воздушным зазором, достаточно широким, чтобы высокое напряжение антенны не могло перескочить через него. Он состоит из кольцевого тороидального железного сердечника, вокруг которого обернута первичная обмотка, установленная на кронштейне, выступающем из бетонного основания под антенным изолятором и подключенного к источнику питания освещения. Вторичная обмотка, обеспечивающая питание мачтовых огней, представляет собой кольцевую катушку, проходящую через тороидальный сердечник, как два звена цепи, с воздушным зазором между ними. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, индуцирует ток во вторичной обмотке без прямого соединения между ними. Дроссель – это индуктор, катушка из тонкой проволоки, намотанная на цилиндрическую форму. Импеданс (сопротивление переменному току) индуктора увеличивается с ростом частоты тока. Изоляционный дроссель является фильтром нижних частот, сконструированным для обеспечения высокого импеданса на радиочастотах, что предотвращает прохождение РЧ-тока, но незначительного импеданса на более низкой частоте 50/60 Гц, позволяя переменному току достигать осветительных приборов. Дроссель включается в каждую из трех линий (фаза, нейтраль, защитное заземление), составляющих кабель питания. Низковольтная сторона каждого дросселя шунтируется конденсатором на землю, чтобы высокое напряжение, индуцированное на низковольтной стороне посредством емкостной связи через межвитковую емкость дросселя, отводилось на землю. Параллельный резонансный контур (ловушка) – это индуктор и конденсатор, соединенные параллельно в линии электропитания. Значения индуктивности и емкости выбираются таким образом, чтобы резонансная частота контура соответствовала рабочей частоте антенны. Параллельный резонансный контур имеет очень высокий импеданс (тысячи Ом) на своей резонансной частоте, блокируя РЧ-ток, но низкий импеданс на всех остальных частотах, пропуская питание осветительных приборов переменного тока. Эта схема блокирует только конкретную настроенную частоту, поэтому при изменении частоты радиопередатчика необходимо регулировать ловушку.

Antenna masts are tall enough that they can be a hazard to aircraft. Aviation regulations require masts to be painted in alternating strips of international orange and white paint, and have aircraft warning lights along their length, to make them more visible to aircraft. Regulations require flashing lights at the top, and (depending on height) at several points along the length of the tower. The high radio frequency voltage on the mast poses a problem for powering the warning lights: the power cable which runs down the mast from the lights to connect to the mains power line is at the high RF potential of the mast. Without protective equipment it would conduct radio frequency (RF) current to the AC power wiring ground, short circuiting the mast. To prevent this a protective isolator is installed in the lighting power cable at the base of the mast which blocks the RF current while letting the low frequency 50 or 60 Hz AC power pass through up the mast. Several types of isolator devices have been used:

Austin transformer – this is a specialized type of isolation transformer made specifically for this use, in which the primary and secondary windings of the transformer are separated by an air gap, wide enough so the high voltage on the antenna cannot jump across. It consists of a ring shaped toroidal iron core with the primary winding wrapped around it, mounted on a bracket extending from the concrete base below the antenna insulator, connected to the lighting power source. The secondary winding which provides power to the mast lights is a ring shaped coil that threads through the toroidal core like two links in a chain, with an air gap between the two. The magnetic field created by the primary winding induces current in the secondary winding without the necessity of a direct connection between them. Choke – this consists of an inductor, a coil of fine wire wound around a cylindrical form. The impedance (resistance to AC current) of an inductor increases with the frequency of the current. The isolation choke is a low pass filter, it is constructed to have a high impedance at radio frequencies which prevents the RF current from passing through, but negligible impedance at the lower 50/60 Hz mains frequency, so the AC power can pass through to the lights. A choke is inserted in each of the 3 lines (hot, neutral, safety ground) that make up the power cable. The low voltage end of each choke is bypassed through a capacitor to ground, so high voltage induced in the low voltage end by capacitive coupling through the interwinding capacitance of the choke is conducted to ground. Parallel resonant circuit (trap) – this consists of an inductor and capacitor connected in parallel in the power line. The values of the inductance and capacitance are chosen so the circuit's resonant frequency is the operating frequency of the antenna. A parallel resonant circuit has a very high impedance (thousands of ohms) at its resonant frequency, so it blocks the RF current, but low impedance at all other frequencies, allowing the AC lighting power through. This circuit only blocks the specific frequency it is tuned to, so if the frequency of the radio transmitter is changed, the trap must be adjusted.

Противомолния и заземление

В основании мачты должен быть установлен молниеотвод, состоящий из шарового или рогообразного искрового промежутка между мачтой и заземлением, чтобы ток от удара молнии в мачту отводился в землю. Проводник от молниеотвода должен идти напрямую к металлическому заземляющему стержню по кратчайшему пути. На вершине мачты должен быть установлен громоотвод для защиты верхнего авиационного предупреждающего огня. Мачта также должна иметь постоянное соединение с землей, чтобы статические электрические заряды на мачте могли рассеиваться. Кроме того, в основании имеется заземляющий выключатель, который используется для подключения мачты к системе заземления во время технического обслуживания, чтобы исключить возможность наличия высокого напряжения на мачте во время работы персонала.

Колокационные антенны

Высокая радиомачта – удобная конструкция для установки других беспроводных антенн, поэтому многие радиостанции сдают в аренду место на своих мачтах другим радиослужбам для их антенн. Такие антенны называются ко-лоцированными. К типам антенн, которые часто устанавливают на излучатели мачт, относятся: штыревые антенны из стекловолокна для наземных мобильных радиосистем такси и служб доставки, параболические антенны для релейных линий микроволновой связи, передающих данные коммерческой телекоммуникации и интернет, FM-радиовещательные антенны, состоящие из коллинеарных вибраторов скрученных дипольных элементов, и антенны базовых станций сотовой связи. Пока ко-лоцированные антенны не работают на частотах, близких к частоте передачи мачты, их обычно можно электрически изолировать от напряжения на мачте. Линии передачи, подающие RF-энергию на ко-лоцированные антенны, создают ту же проблему, что и линии питания освещения самолетов: они должны проходить вниз по мачте и через базовый изолятор, подключаясь к оборудованию низкого напряжения. Без изоляционных устройств они будут нести высокое напряжение мачты и могут замкнуть мачту на землю. Линии передачи изолируются индуктивностями низкочастотного фильтра, состоящими из спиралей коаксиального кабеля, намотанных на непроводящую форму. Было установлено, что сопротивление излучению достигает максимума при длине, равной половине длины волны, поэтому мачта такой длины имеет входное сопротивление, значительно превышающее сопротивление земли, что снижает потери мощности передатчика в системе заземления и устраняет необходимость в емкостной верхней нагрузке. В другой работе того же года было показано, что количество мощности, излучаемой горизонтально в виде наземных волн, достигает максимума при высоте мачты 0,625 (225 электрических градусов). К 1930 году недостатки Т-образной антенны привели к тому, что вещатели стали использовать антенну-излучатель мачты. Одним из первых использованных типов была алмазная консольная или башня Blaw Knox. Она имела алмазную (ромбоэдрическую) форму, что делало ее жесткой, поэтому требовался только один набор растяжек в ее широкой части. Острый нижний конец антенны заканчивался большим керамическим изолятором в виде шарового шарнира на бетонном основании, снижая изгибающие моменты на конструкции. Первая полуволновая мачта высотой 665 футов (203 м) была установлена на передатчике мощностью 50 кВт радиостанции WABC в Уэйне, штат Нью-Джерси, в 1931 году. В эту эпоху также были внедрены радиальные системы заземления. В 1930-х годах вещательная индустрия признала проблему многолучевого затухания, когда ночью высокоугольные волны, отраженные от ионосферы, мешали наземным волнам, вызывая кольцевую область слабого приема на определенном расстоянии от антенны. Было обнаружено, что алмазная форма башни Blaw Knox имела неблагоприятное распределение тока, что увеличивало мощность, излучаемую под высокими углами. К 1940-м годам AM-вещательная индустрия отказалась от конструкции Blaw Knox в пользу узкой решетчатой мачты с равномерным поперечным сечением, используемой сегодня, которая имела лучшую диаграмму направленности. Было установлено, что уменьшение высоты монопольной мачты с 225 до 190 электрических градусов может устранить высокоугольные радиоволны, вызывающие затухание. В эту эпоху также были разработаны секционные мачты.

A tall radio mast is a convenient structure to mount other wireless antennas on, so many radio stations lease space on their towers to other radio services for their antennas. These are called colocated antennas. Types of antenna often mounted on mast radiators are: fiberglass whip antennas for land mobile radio systems for taxi and delivery services, dish antennas for microwave relay links carrying commercial telecommunications and internet data, FM radio broadcasting antennas consisting of collinear bays of twisted dipole elements, and cellular base station antennas. As long as the colocated antennas do not operate at frequencies anywhere near the transmitting frequency of the mast, it is usually possible to isolate them electrically from the voltage on the mast. The transmission lines feeding RF power to the colocated antennas pose much the same problem as the aircraft lighting power lines: they have to pass down the tower and across the base insulator and connect to low voltage equipment, so without isolation devices, they will carry the high mast voltage and can short circuit the mast to ground. The transmission lines are isolated by low pass filter inductors consisting of helixes of coaxial cable wound on a nonconductive form. He found that the radiation resistance increased to a maximum at a length of a half wavelength, so a mast around that length had an input resistance that was much higher than the ground resistance, reducing the fraction of transmitter power that was lost in the ground system, eliminating the need for a capacitive topload. In a second paper the same year he showed that the amount of power radiated horizontally in ground waves reached a maximum at a mast height of 0.625 (225 electrical degrees). By 1930 the disadvantages of the T antenna led broadcasters to adopt the mast radiator antenna. One of the first types used was the diamond cantilever or Blaw Knox tower. This had a diamond (rhombohedral) shape which made it rigid, so only one set of guy lines was needed, at its wide waist. The pointed lower end of the antenna ended in a large ceramic insulator in the form of a ball and socket joint on a concrete base, relieving bending moments on the structure. The first, a 665 feet (203 m) half wave mast was installed at radio station WABC's 50 kW Wayne, New Jersey transmitter in 1931. Radial wire ground systems were also introduced during this era. During the 1930s the broadcast industry recognized the problem of multipath fading, that at night high angle waves reflected from the ionosphere interfered with the ground waves, causing an annular region of poor reception at a certain distance from the antenna. It was found that the diamond shape of the Blaw Knox tower had an unfavorable current distribution which increased the power emitted at high angles. By the 1940s the AM broadcast industry had abandoned the Blaw Knox design for the narrow, uniform cross section lattice mast used today, which had a better radiation pattern. It was found that reducing the height of the monopole mast from 225 electrical degrees to 190 degrees could eliminate the high angle radio waves that caused fading. Sectional masts were also developed in this era.