Articulo de referencia

Radiador de mástil

Un típico radiador de mástil y una caseta de ajuste de antena de una estación de radio AM en Chapel Hill, Carolina del Norte , EE. UU. Una antena de mástil (o torre radiante ) e...

Un típico radiador de mástil y una caseta de ajuste de antena de una estación de radio AM en Chapel Hill, Carolina del Norte , EE. UU.

Una antena de mástil (o torre radiante ) es una torre de radio cuya estructura metálica se energiza y funciona como antena . Este diseño, popularizado desde la década de 1930, se utiliza comúnmente para antenas transmisoras que operan a bajas frecuencias , en las bandas LF y MF , especialmente en estaciones de radiodifusión AM . El mástil de acero conductor está conectado eléctricamente al transmisor . Su base suele montarse sobre un soporte no conductor para aislarlo del suelo. Una antena de mástil es un tipo de antena monopolo .

Diseño estructural

 Típica estructura triangular arriostrada de 60 metros (200 pies) de una estación de radio AM en Mount Vernon, Washington , EE. UU.
La Blosenbergturm , una antena de torre independiente en Beromünster , Suiza.

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. También se utilizan a veces mástiles de celosía cuadrados y mástiles tubulares. Para garantizar que la torre sea un conductor continuo, las secciones estructurales de la torre se unen eléctricamente en las juntas mediante puentes cortos de cobre soldados a cada lado o soldaduras de fusión (arco) a través de las bridas de acoplamiento.

Para garantizar que el mástil actúe como un único conductor, las distintas secciones estructurales del mástil están conectadas eléctricamente mediante puentes de cobre.

Las antenas de base fija, el tipo más común, deben estar aisladas del suelo. En su base, la antena suele estar montada sobre un aislante cerámico grueso , que posee la resistencia a la compresión necesaria para soportar el peso de la torre y la rigidez dieléctrica para resistir el alto voltaje aplicado por el transmisor. La potencia de radiofrecuencia para alimentar la antena se suministra mediante una red de adaptación de impedancias , generalmente ubicada en una caseta de sintonización cerca de la base de la antena, y el cable que suministra la corriente simplemente se atornilla o suelda a la torre. El transmisor propiamente dicho suele estar ubicado en un edificio separado, que suministra potencia de radiofrecuencia a la caseta de sintonización a través de una línea de transmisión .

Para mantener la torre en posición vertical, se le han acoplado cables tensores , generalmente en grupos de 3 con un ángulo de 120°, anclados al suelo normalmente con anclajes de hormigón . Se utilizan varios grupos de tensores (de 2 a 5) a diferentes alturas para rigidizar la torre y evitar que se pandee. Los cables tensores llevan aisladores de tensión insertados, normalmente en la parte superior, cerca del punto de fijación al mástil, para aislar el cable conductor del mástil e impedir que la alta tensión de la torre llegue al suelo.

Aunque estén aislados del mástil, los cables de sujeción conductores pueden actuar eléctricamente como antenas resonantes ( elementos parásitos ), absorbiendo y reemitiendo ondas de radio desde el 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: por lo general, los segmentos deben limitarse a un máximo de un octavo a un décimo de longitud de onda (  1 8λ1 10 λ {\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{8}}\lambda \sim {\tfrac {1}{\ 10\ }}\lambda \ }). [ 3 ]

Los radiadores de mástil también pueden construirse como torres de celosía independientes , anchas en la base para mayor estabilidad y que se estrechan hasta formar un mástil delgado. [ 4 ] La ventaja de esta construcción es la eliminación de los tirantes y, por lo tanto, la reducción del espacio necesario. Estas torres pueden tener una sección transversal triangular o cuadrada, con cada pata apoyada sobre un aislador. Una desventaja es que la base ancha de la torre distorsiona el patrón de corriente vertical, reduciendo la resistencia a la radiación y, por consiguiente, la potencia radiada; por ello, se prefieren los mástiles arriostrados .

El ministerio nacional de radiodifusión de un país suele tener autoridad reguladora sobre el diseño y funcionamiento de las antenas de radio, además de los códigos de construcción locales que regulan el diseño estructural. En Estados Unidos, esta autoridad es la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Los planos de una antena deben ser aprobados por los organismos reguladores antes de su construcción.

Diseño eléctrico

Alimentación de la base: La alimentación de radiofrecuencia se suministra al mástil mediante un cable conectado a él, que proviene de una red de adaptación ubicada en la caseta de ajuste de antenas situada a la derecha. El aislante cerámico marrón en la base mantiene el mástil aislado eléctricamente del suelo. A la izquierda se encuentra un interruptor de puesta a tierra y un descargador de chispas para la protección contra rayos.
Los cables de sujeción llevan aisladores de tensión insertados para evitar que el alto voltaje del mástil llegue al suelo y para dividir los cables en segmentos con longitudes no resonantes .

Un radiador de mástil simple es una antena omnidireccional que irradia la misma potencia de onda de radio en todas las direcciones horizontales. [ 4 ] Los radiadores de mástil irradian ondas de radio polarizadas verticalmente , con la mayor parte de la potencia emitida 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 onda terrestre y son el principal tipo de antenas transmisoras utilizadas por las estaciones de radio AM, así como por 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 por onda ionosférica (salto).

La mayoría de las estaciones de radio utilizan mástiles individuales. Se pueden usar varios mástiles alimentados con corriente de radio en diferentes fases para construir antenas direccionales , que irradian más potencia en direcciones específicas que en otras.

Sistema de alimentación

El transmisor que genera la corriente de radiofrecuencia suele estar ubicado en un edificio a poca distancia del mástil, de modo que sus componentes electrónicos sensibles y el personal operativo no estén expuestos a las fuertes ondas de radio en la base del mástil. Alternativamente, a veces se ubica en la base del mástil, con la sala del transmisor rodeada por una pantalla de Faraday de cobre para bloquear las ondas de radio. La corriente del transmisor se suministra 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 adaptar la línea de transmisión al mástil. [ 5 ] Esta puede estar ubicada en una caja impermeable o en un pequeño cobertizo llamado caseta de sintonización de antena (casa helicoidal) junto al mástil. El circuito de sintonización de antena adapta la impedancia característica de la línea de alimentación a la impedancia de la antena (como se muestra en el gráfico a continuación) e incluye una reactancia , generalmente una bobina de carga , para compensar la reactancia de la antena y hacerla resonante a la frecuencia de operación. Sin el sintonizador de antena, el desajuste de impedancia entre la antena y la línea de alimentación provocaría ondas estacionarias ( ROE alta ), en las que parte de la potencia de radio se refleja de vuelta a través de la línea de alimentación hacia el transmisor, lo que resulta en ineficiencia y posiblemente sobrecalentamiento del transmisor. Desde el sintonizador de antena, se atornilla o suelda una línea de alimentación corta al mástil.

El otro extremo del cable de alimentación del sintonizador de antena está conectado a tierra , mediante un sistema de tierra radial que consta de muchos cables desnudos enterrados superficialmente en el suelo y que irradian hacia afuera desde un terminal cerca de la base del mástil.

Hay varias formas de alimentar un radiador de mástil: [ 6 ]

  • Excitación en serie (alimentación de base) : el mástil se apoya sobre un aislador y se alimenta por la parte inferior; un extremo de la línea de alimentación de la carcasa helicoidal se conecta a la base del mástil y el otro a un sistema de tierra situado debajo del mismo. Este es el tipo de alimentación más común, utilizado en la mayoría de los mástiles de estaciones de radio AM. [ 4 ] [ 6 ]
  • Excitación por derivación : la base del mástil está conectada a tierra, y un extremo de la línea de alimentación se conecta a la parte superior del mástil, y el otro extremo al sistema de tierra situado debajo del mástil. [ 6 ] La impedancia del mástil aumenta a lo largo de su longitud, por lo que, al elegir la altura de conexión adecuada, la antena puede adaptarse a la impedancia de la línea de alimentación. Esto evita la necesidad de aislar el mástil de la tierra, elimina la necesidad de un aislador en la línea de alimentación de la aeronave y el riesgo de descarga eléctrica por altos voltajes en la base del mástil.
  • Antena monopolo plegada : esta puede considerarse una variante de la antena con alimentación en derivación descrita anteriormente. El mástil de la antena está conectado a tierra y una "falda" tubular de cables se fija a la parte superior de la antena y cuelga paralela al mástil, rodeándolo, hasta el nivel del suelo, donde se alimenta. Tiene un ancho de banda mayor que una antena de torre simple.
  • Antena seccional : también conocida como "antena antidesvanecimiento", el mástil se divide en dos secciones con un aislante entre ellas para formar dos antenas verticales apiladas, alimentadas en fase. [ 6 ] Esta disposición colineal mejora la radiación de bajo ángulo (onda terrestre) y reduce la radiación de alto ángulo (onda ionosférica). Esto aumenta la distancia a la zona de máxima radiación donde la onda terrestre y la onda ionosférica tienen una intensidad similar durante la noche.

Las regulaciones gubernamentales generalmente exigen que la energía suministrada a la antena se supervise en la base de la misma, por lo que la caseta de ajuste de la antena también incluye un circuito de muestreo de corriente de la antena, que envía sus mediciones a la sala de control del transmisor. [ 7 ] La caseta también suele contener la fuente de alimentación para las luces de advertencia de la aeronave.

Altura del mástil y patrón de radiación

Patrones de radiación vertical medidos de 3 antenas de mástil monopolo de diferentes alturas montadas en el suelo. La distancia de la línea desde el origen a un ángulo de elevación dado es proporcional a la densidad de potencia radiada en ese ángulo. Para una potencia de entrada dada, la potencia radiada en direcciones horizontales aumenta con la altura desde el monopolo de cuarto de onda (0,25λ, azul ) pasando por el monopolo de media onda (0,5λ, verde ) hasta un máximo a una longitud de 0,625λ ( rojo ).
Resistencia de base ( R ) y reactancia ( X ) medidas de un radiador de mástil alimentado en la base típico en función de la altura.

La altura ideal de un radiador de mástil depende de la frecuencia de transmisión.F{\displaystyle f}la distribución geográfica de la audiencia y el terreno. Un radiador de mástil no seccionado es una antena monopolo , y su patrón de radiación vertical , la cantidad de potencia que irradia en diferentes ángulos de elevación, está determinado por su altura.h{\displaystyle h}en comparación con la longitud de ondaλ=do/F{\displaystyle \lambda =c/f}de las ondas de radio, igual a la velocidad de la luzdo{\displaystyle c}dividido por la frecuenciaF{\displaystyle f}La altura del mástil se suele especificar en fracciones de la longitud de onda, o en " grados eléctricos ".

GRAMO=360hλ{\displaystyle G=360^{\circ }{h \over \lambda }}

donde cada grado es igual aλ/360{\displaystyle \lambda /360}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 a un cuarto de longitud de onda hacia abajo [ 6 ] [ 8 ]

i(y)=Imáximopecado(GRAMOy){\displaystyle i(y)=I_{\text{max}}\sin(Gy)}

dóndei(y){\displaystyle i(y)}es la corriente a una altura dey{\displaystyle y}grados eléctricos sobre el suelo, yImáximo{\displaystyle I_{\text{máx}}}es la corriente máxima. A alturas un poco menores que un múltiplo de un cuarto de longitud de onda, 14λ,12λ,34λ{\displaystyle {1 \over 4}\lambda ,{1 \over 2}\lambda ,{3 \over 4}\lambda }...(G = 90°, 180°, 270°...) el mástil es resonante ; a estas alturas la antena presenta una resistencia pura a la línea de alimentación , lo que simplifica la adaptación de impedancia de la línea de alimentación a la antena. A otras longitudes la antena tiene reactancia capacitiva o reactancia inductiva . Sin embargo, los mástiles de estas longitudes pueden alimentarse eficientemente cancelando la reactancia de la antena con una reactancia conjugada en la red de adaptación en la casa helicoidal. Debido al espesor finito del mástil, la resistencia y otros factores la corriente real de la antena en el mástil difiere significativamente de la onda sinusoidal ideal supuesta anteriormente, y como muestra el gráfico, las longitudes resonantes de una torre típica están más cerca de 80°, 140° y 240°.

Las ondas terrestres viajan horizontalmente desde la antena justo encima del suelo, por lo tanto, el objetivo de la mayoría de los diseños de mástiles es irradiar la máxima cantidad de potencia en direcciones horizontales. [ 9 ] Una antena monopolo ideal irradia la máxima potencia 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 en2λ/π{\displaystyle 2\lambda /\pi }= 0,637λ{\displaystyle \lambda }[ 6 ] ) Como se muestra en el diagrama, a alturas inferiores a media longitud de onda (180 grados eléctricos), el patrón de radiación de la antena tiene un sololóbulocon un máximo en direcciones horizontales. A alturas superiores a media 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 en 0,625λ{\displaystyle \lambda }es que, ligeramente por encima 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 elevados, lo que provoca que la mayor parte de la potencia se emita en direcciones horizontales. [ 6 ] Alturas superiores a 0,625λ{\displaystyle \lambda }Generalmente no se utilizan porque por encima de este valor la potencia radiada en direcciones horizontales disminuye rápidamente debido a la creciente pérdida de potencia en el cielo en el segundo lóbulo. [ 4 ]

Para mástiles de banda de transmisión AM de onda media 0,625λ{\displaystyle \lambda }Tendrían una altura de entre 117 y 341 metros (384 y 1119 pies) , y serían más altas para las antenas de onda larga. Los elevados costes de construcción de estas antenas altas hacen que, con frecuencia, se utilicen antenas más bajas. 

Lo anterior muestra el patrón de radiación de un mástil perfectamente conductor sobre un terreno perfectamente conductor. La intensidad real de la señal recibida en cualquier punto del terreno 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 terreno . [ 10 ] El proceso de diseño de un mástil de radio real generalmente implica realizar un estudio de la conductividad del suelo y luego usar un programa informático de simulación de antenas para calcular un mapa de la intensidad de la señal producida por mástiles comerciales reales sobre el terreno real. Esto se compara con la distribución de la población objetivo para encontrar el mejor diseño. [ 10 ]

Diseños resistentes a la decoloración

Un segundo objetivo de diseño que afecta la altura es reducir el desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de recepción. [ 9 ] Parte de la energía de radio radiada 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. Esto se llama onda ionosférica . 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. Esto se 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 área de confusión . Sin embargo, el desvanecimiento por trayectos múltiples solo se vuelve significativo si la intensidad de la señal de la onda ionosférica está dentro de aproximadamente el 50 % (3  dB) de la onda terrestre. Al reducir ligeramente la altura de un monopolo, la potencia radiada en el segundo lóbulo se puede reducir 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 alrededor de 190 grados eléctricos o 0,53λ{\displaystyle \lambda }, por lo tanto, esta es otra altura común para los mástiles. [ 6 ]

mástiles seccionados

Un tipo de mástil con un rendimiento antifading mejorado es el mástil seccionado, también llamado mástil antifading. [ 11 ] [ 12 ] En un mástil seccionado, los aisladores en los elementos de soporte verticales dividen el mástil en dos secciones conductoras apiladas verticalmente, que se alimentan en fase mediante líneas de alimentación separadas. Esto aumenta la proporción de potencia radiada en direcciones horizontales y permite que el mástil sea más alto que 0,625λ{\displaystyle \lambda }sin radiación excesiva en ángulos elevados. Actualmente, se encuentran en funcionamiento, con buenos resultados, seccionales prácticos con alturas de 120 sobre 120 grados, 180 sobre 120 grados y 180 sobre 180 grados.

mástiles eléctricamente cortos

El límite inferior de la frecuencia a la que se pueden utilizar los radiadores de mástil se encuentra en la banda de baja frecuencia , debido a la creciente ineficiencia de los mástiles más cortos que un cuarto de longitud de onda.

A medida que disminuye la frecuencia, aumenta la longitud de onda, lo que requiere una antena más alta para captar una fracción determinada de la longitud de onda. Los costos de construcción y la superficie de terreno necesaria aumentan con la altura, lo que impone un límite práctico a la altura del mástil. Los mástiles de más de 300 m (980 pies) son prohibitivamente caros y se han construido muy pocos; los mástiles más altos del mundo rondan los 600 m (2000 pies) . Otra limitación en algunas zonas son las restricciones de altura para las estructuras; cerca de los aeropuertos, las autoridades de aviación pueden limitar la altura máxima de los mástiles. Estas restricciones suelen obligar a utilizar un mástil de menor altura que la ideal.  

Antenas significativamente más cortas que la longitud de resonancia fundamental de un cuarto de la longitud de onda (0,25λ{\displaystyle \lambda }Las antenas de longitud de onda corta (0,17 ohmios) se denominan 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 pueden ser alimentadas eficientemente debido a su baja resistencia de radiación . [ 6 ] La resistencia de radiación de la antena, la resistencia eléctrica que representa la potencia radiada como ondas de radio, que es de alrededor de 25 a 37 ohmios a 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 la 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 de radiación, y la potencia del transmisor se divide proporcionalmente entre ellas. A medida que disminuye la resistencia de radiación, se disipa más potencia del transmisor como calor en estas resistencias, lo que reduce la eficiencia de la antena. Mástiles más cortos que 0,17 λ{\displaystyle \lambda }(60 grados eléctricos) se utilizan raramente. A esta altura, la resistencia de radiación es de aproximadamente 10  ohmios, por lo que la resistencia típica de un sistema de tierra enterrado, 2  ohmios, es aproximadamente el 20% de la resistencia de radiación, por lo que por debajo de esta altura más del 20% de la potencia del transmisor se desperdicia en el sistema de tierra.

Un segundo problema con los mástiles eléctricamente cortos es que su reactancia capacitiva es alta, lo que requiere una bobina de carga grande en el acoplador de antena para compensarla y lograr la resonancia del mástil. La alta reactancia frente a la baja resistencia confiere a la antena un alto factor Q ; la antena y la bobina actúan como un circuito sintonizado de alto Q, lo que reduce el ancho de banda útil de la antena.

A frecuencias más bajas, los radiadores de mástil se sustituyen por antenas capacitivas de carga superior más elaboradas, como la antena en T o la antena tipo paraguas, que pueden tener una mayor eficiencia.

Carga superior capacitiva

Antena capacitiva tipo "sombrero de copa" en el mástil de una torre de radio AM en Hamersley, Australia.

En circunstancias en las que se deben usar mástiles cortos, a veces se agrega una carga superior capacitiva (también conocida como sombrero de capa o sombrero de capacitancia ) en la parte superior del mástil para aumentar la potencia radiada. [ 13 ] [ 14 ] Se trata de una pantalla redonda o corona radiante de cables horizontales que se extienden horizontalmente desde la parte superior de la antena. Funciona como una placa de condensador , siendo la tierra debajo la placa complementaria; el aumento de corriente en el mástil necesario para cargar y descargar la capacitancia de la carga superior en cada ciclo de RF aumenta la potencia radiada en la sección vertical de la antena. 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 capacitancia es usar secciones del conjunto de cables de sujeción superiores, insertando los aisladores de tensión en la línea de sujeción a una corta distancia del mástil. Para mástiles simples, los sombreros de capacitancia están estructuralmente limitados al equivalente de aproximadamente 15-30  grados de altura eléctrica adicional; las antenas tipo paraguas superan este límite al tener soporte estructural adicional para el "sombrero".

Sistema de puesta a tierra

Para los radiadores de mástil, la tierra bajo el mástil forma parte de la antena; la corriente que se alimenta al mástil pasa a través del aire hacia el suelo bajo la antena como corriente de desplazamiento (campo eléctrico oscilante). [ 15 ] El suelo también sirve como plano de tierra para reflejar las ondas de radio. La antena recibe energía entre la base del mástil y el suelo, por lo que requiere un sistema de puesta a tierra (Earthing) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo y recoger la corriente de retorno. Un extremo de la línea de alimentación desde la casa de la hélice está conectado al mástil y el otro extremo 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 una mayor eficiencia su resistencia debe mantenerse baja, por debajo de dos ohmios, por lo que consiste en una red de cables enterrados en la tierra. [ 16 ] 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 conductor de tierra en un terminal junto a la base. [ 16 ]

La potencia del transmisor que se pierde en la resistencia del terreno, y por lo tanto la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esta varía ampliamente; los terrenos pantanosos o los estanques, especialmente los de agua salada, proporcionan la menor resistencia. La densidad de corriente de radiofrecuencia en la tierra, y por consiguiente la pérdida de potencia por metro cuadrado, aumenta a medida que uno se acerca al terminal de tierra en la base del mástil, [ 16 ] por lo que el sistema de tierra radial puede considerarse como la sustitución del suelo por un medio de mayor conductividad, el cobre, en las partes del terreno con 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 de EE. UU. (FCC) consiste en 120 cables de tierra radiales igualmente espaciados que se extienden un cuarto de longitud de onda (0,25λ{\displaystyle \lambda }, 90 grados eléctricos) desde el mástil. [ 16 ] [ 15 ] Se suele utilizar cable de cobre estirado suave de calibre 10, enterrado de 10 a 25 cm (4 a 10 pulgadas) de profundidad. [ 16 ] Para mástiles de banda de radiodifusión AM, esto requiere un área de terreno circular que se extiende desde el mástil de 47 a 136 m (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 ciertas circunstancias. Si el área de terreno alrededor del mástil es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos se pueden reemplazar por un mayor número de radiales más cortos. El soporte metálico debajo del aislante del mástil está unido al sistema de tierra con correas metálicas conductoras para que no aparezca voltaje a través de la losa de hormigón que soporta el mástil, ya que el hormigón tiene malas propiedades dieléctricas.  

Para mástiles cercanos a una altura de media longitud de onda (180 grados eléctricos), el mástil presenta un máximo de voltaje ( antinodo ) cerca de su base, lo que genera fuertes campos eléctricos en el suelo por encima de los cables de tierra cercanos al mástil, donde la corriente de desplazamiento penetra en el suelo. Esto puede provocar pérdidas de potencia dieléctrica significativas en el suelo. Para reducir estas pérdidas, estas antenas suelen utilizar una pantalla de tierra conductora de cobre alrededor del mástil, conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea sobre el suelo o elevada unos pocos metros, para proteger el suelo del campo eléctrico. Otra solución consiste en aumentar el número de cables de tierra cerca del mástil y enterrarlos a poca profundidad en una capa superficial de asfalto , que presenta bajas pérdidas dieléctricas.

Equipos auxiliares

Esgrima

Los radiadores de mástil alimentados en la base tienen un alto voltaje en la base del mástil, lo que puede provocar una peligrosa descarga eléctrica a una persona conectada a tierra que lo toque. El potencial en el mástil suele ser de varios miles de voltios con respecto a tierra. Los códigos eléctricos exigen que este tipo de equipos de alto voltaje expuestos estén cercados para evitar que el público los vea, por lo que el mástil y la caseta de ajuste de la antena están rodeados por una cerca cerrada con llave. Generalmente se utiliza una cerca de malla ciclónica , pero a veces se usan cercas de madera para evitar que las corrientes inducidas en una cerca metálica distorsionen el patrón de radiación de la antena. Un diseño alternativo consiste en montar el mástil en la parte superior de la caseta de ajuste de la antena, fuera del alcance del público, eliminando así la necesidad de una cerca.

luces de advertencia de aeronaves

Los mástiles de antena son lo suficientemente altos como para representar un peligro para las aeronaves. Las regulaciones de aviación exigen que los mástiles estén pintados con franjas alternas de pintura naranja internacional y blanca, y que cuenten con luces de advertencia para aeronaves a lo largo de su longitud, para que sean más visibles. Las regulaciones exigen luces intermitentes en la parte superior y (dependiendo de la altura) en varios puntos a lo largo de la torre. El alto voltaje de radiofrecuencia en el mástil plantea un problema para la alimentación de las luces de advertencia: el cable de alimentación que baja por el mástil desde las luces hasta la línea de alimentación principal se encuentra al alto potencial de RF del mástil. [ 17 ] [ 3 ] Sin equipo de protección, conduciría corriente de radiofrecuencia (RF) a la toma de 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 permite que la alimentación de CA de baja frecuencia de 50 o 60 Hz pase a través del mástil. Se han utilizado varios tipos de dispositivos aisladores:

Transformador Austin en la base de la torre transmisora ​​de WMCA y WNYC en Kearny, Nueva Jersey.
  • Transformador Austin : este es un tipo especializado de transformador de aislamiento fabricado específicamente para este uso, en el que los devanados primario ydel transformador están separados por un entrehierro, lo suficientemente ancho como para que el alto voltaje de la antena no pueda saltar a través de él. [ 3 ] Consta de un núcleo de hierro toroidal en forma de anillo con el devanado primario enrollado a su alrededor, montado en un soporte que se extiende desde la base de hormigón debajo del aislante de la antena, conectado a la fuente de alimentación 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 de una cadena, con un entrehierro entre ambos. 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 enrollada alrededor de una forma cilíndrica. [ 3 ] La impedancia (resistencia a la corriente alterna) de un inductor aumenta con la frecuencia de la corriente. El choke de aislamiento es un filtro de paso bajo , está construido para tener una alta impedancia a radiofrecuencias que impide el paso de la corriente de RF, pero una impedancia despreciable a la frecuencia de red más baja de 50/60 Hz, por lo que la energía de CA puede pasar a las luces. Se inserta un choke en cada una de las 3 líneas (fase, neutro, tierra de seguridad) que componen el cable de alimentación. El extremo de baja tensión de cada choke se deriva a través de un condensador a tierra, por lo que la alta tensión inducida en el extremo de baja tensión por acoplamiento capacitivo a través de la capacitancia entre bobinas del choke se conduce a tierra.
  • Circuito resonante paralelo (trampa) : consta de un inductor y un condensador conectados en paralelo en la línea de alimentación. Los valores de la inductancia y la capacitancia se eligen de modo que la frecuencia de resonancia del circuito coincida con la frecuencia de funcionamiento de la antena. Un circuito resonante paralelo presenta una impedancia muy alta (miles de ohmios) en su frecuencia de resonancia, por lo que bloquea la corriente de radiofrecuencia (RF), pero una baja impedancia en todas las demás frecuencias, permitiendo el paso de la corriente alterna (CA) de la iluminación. Este circuito solo bloquea la frecuencia específica a la que está sintonizado; por lo tanto, si se cambia la frecuencia del transmisor de radio, es necesario ajustar la trampa.

Interruptor de protección contra rayos y conexión a tierra

En su base, el mástil debe tener un pararrayos consistente en una descarga de chispa esférica o de cuerno entre el mástil y el terminal de tierra, de modo que la corriente de un rayo que caiga sobre el mástil se conduzca a tierra. [ 3 ] El conductor del pararrayos debe ir directamente a una pica de tierra metálica por el camino más corto. La parte superior del mástil debe tener una varilla de protección para proteger la luz de advertencia superior de aeronaves. [ 3 ] El mástil también debe tener una conexión a tierra de CC, para que las cargas electrostáticas en el mástil puedan descargarse. [ 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 colocalizadas

Un mástil de radio alto es una estructura conveniente para instalar otras antenas inalámbricas, por lo que muchas estaciones de radio alquilan espacio en sus torres a otros servicios de radio para sus antenas. Estas se denominan antenas colocalizadas . Los tipos de antenas que se suelen instalar en los radiadores de los mástiles son: antenas de látigo de fibra de vidrio para sistemas de radio móvil terrestre para servicios de taxi y reparto, antenas parabólicas para enlaces de retransmisión de microondas que transmiten datos de telecomunicaciones comerciales e internet, antenas de radiodifusión FM que consisten en conjuntos colineales de elementos dipolo retorcidos y antenas de estaciones base celulares .

Siempre que las antenas ubicadas en el mismo lugar no operen a frecuencias cercanas a la frecuencia de transmisión del mástil, generalmente es posible aislarlas eléctricamente de la tensión del mástil. Las líneas de transmisión que alimentan la potencia de RF a las antenas ubicadas en el mismo lugar presentan un problema muy similar al de las líneas de alimentación de las luces de la aeronave: deben descender por la torre, atravesar el aislante de la base y conectarse a equipos de baja tensión, por lo que, sin dispositivos de aislamiento, transportarán la alta tensión del mástil y pueden provocar un cortocircuito entre el mástil y tierra. Las líneas de transmisión se aíslan mediante inductores de filtro de paso bajo que consisten en hélices de cable coaxial enrolladas sobre una base no conductora. [ 17 ]

Historia

Radiador de mástil tubular de 130 metros (420  pies) de Fessenden, de 1906.
Un ejemplo de mástil Blaw-Knox es la Torre Lakihegy , un mástil de 314 metros (1030  pies) de altura ubicado en Hungría y construido en 1933.

La antena vertical o monopolo fue inventada y patentada por el empresario radiofónico Guglielmo Marconi en 1896, durante el desarrollo de los primeros transmisores y receptores de radio prácticos . Inicialmente, utilizó antenas dipolo horizontales inventadas por Heinrich Hertz , pero no lograba comunicarse a más de unos pocos kilómetros. Experimentalmente, descubrió que si conectaba un terminal de su transmisor y receptor a un cable vertical suspendido sobre su cabeza, y el otro terminal a una placa metálica enterrada en la tierra, podía transmitir a distancias mayores. Las antenas de Marconi, al igual que la mayoría de las antenas verticales hasta la década de 1920, estaban construidas con cables suspendidos por mástiles de madera.

Uno de los primeros radiadores de mástil grande fue el mástil tubular experimental de 130 metros (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 antena idéntica en Machrihanish , Escocia. Sin embargo, durante la era de la radiotelegrafía anterior a 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 de radiación de 5 a 30 ohmios. [ 9 ] Por lo tanto, la mayoría de los transmisores usaban antenas de carga superior capacitiva como la antena paraguas o la antena L y T invertida para aumentar la potencia radiada. Durante esta época, el funcionamiento de las antenas era poco conocido, y los diseños se basaban en ensayo y error y reglas empíricas poco comprendidas.  

El inicio de la radiodifusión AM en 1920 y la asignación de frecuencias de onda media a las estaciones de radiodifusión impulsaron un mayor interés en las antenas de onda media. La antena plana o en T se utilizó como la principal antena de radiodifusión 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 de terreno 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 de ellos derivó la resistencia de radiación de una antena monopolo vertical sobre un plano de tierra. [ 18 ] Descubrió que la resistencia de radiación aumentaba hasta un máximo en una longitud de media longitud de onda, por lo que un mástil de esa longitud tenía una resistencia de entrada mucho mayor que la resistencia de tierra, reduciendo la fracción de potencia del transmisor que se perdía en el sistema de tierra, eliminando la necesidad de una carga superior capacitiva. En un segundo artículo del mismo año, demostró que la cantidad de potencia radiada horizontalmente en ondas terrestres alcanzaba un máximo a una altura de mástil de 0,625.λ{\displaystyle \lambda }(225 grados eléctricos). [ 19 ]

Para 1930, las desventajas de la antena T llevaron a las emisoras a adoptar la antena radiadora de mástil. [ 9 ] Uno de los primeros tipos utilizados fue la torre en voladizo de diamante o torre Blaw-Knox . Esta tenía una forma de diamante ( romboédrica ) que la hacía rígida, por lo que solo se necesitaba un juego de cables de sujeción, en su parte más ancha. El extremo inferior puntiagudo de la antena terminaba en un gran aislante cerámico en forma de una junta esférica sobre una base de hormigón, aliviando los momentos de flexión en la estructura. El primero, un mástil de media onda de 200 metros (665 pies), se instaló en el transmisor de 50 kW de la estación de radio WABC en Wayne, Nueva Jersey, en 1931. [ 20 ] [ 21 ] Los sistemas de tierra de cable radial también se introdujeron durante esta época.  

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, causando una región anular de mala recepción a cierta distancia de la antena. [ 9 ] Se descubrió que la forma de diamante de la torre Blaw-Knox tenía una distribución de corriente desfavorable que aumentaba la potencia emitida en ángulos altos. Para la década de 1940, la industria de la radiodifusión AM había abandonado el diseño Blaw-Knox en favor del mástil de celosía de sección transversal estrecha y uniforme que se usa hoy en día, que tenía un mejor patrón de radiación. Se descubrió que reducir la altura del mástil monopolo de 225 grados eléctricos a 190 grados podía eliminar las ondas de radio de alto ángulo que causaban el desvanecimiento. También se desarrollaron mástiles seccionales en esta época.

Véase también

Notas

  1. Smith 2007 , págs. 24-26.
  2. ^ Williams 2007 , pág. 1789-1800.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Johnson 1993 , págs. 25.25-25.27.
  4. 1 2 3 4 5 Johnson 1993 , págs. 25.2-25.4.
  5. ^ Williams 2007 , pág. 739-755.
  6. ^ Williams 2007 , pág . 715-716.
  7. ^ Williams 2007 , pág. 726-729.
  8. Johnson 1993 , pág. 25.5.
  9. ^ Laport 1952 , pág . 77-80.
  10. 1 2 Williams 2007 , pág. 713.
  11. ^ Williams 2007 , pág. 717-718.
  12. Johnson 1993 , págs. 25.8-25.11.
  13. Williams 2007 , pág. 717.
  14. "sombrero de capacitancia" . Diccionario McGraw-Hill de términos científicos y técnicos (6.ª  ed. en línea). The McGraw-Hill Companies, Inc. 2003. Consultado el 31 de octubre de 2022 .
  15. ^ Williams 2007 , pág. 718-720.
  16. 1 2 3 4 5 Johnson 1993 , págs. 25.11-25.12.
  17. 1 2 Lockwood, Stephen S.; Cox, Bobby L. "Nuevas herramientas para ubicar conjuntamente dispositivos inalámbricos con antenas AM" (PDF) . Kintronic Labs, Inc. Recuperado el 7 de abril de 2020 .
  18. Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la resistencia de radiación de una antena vertical simple en longitudes de onda inferiores a la fundamental". Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . 12 (6). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos: 823–832 . doi : 10.1109/JRPROC.1924.220010 . S2CID 51654399 . 
  19. Ballantine, Stuart (diciembre de 1924). "Sobre la longitud de onda de transmisión óptima para una antena vertical sobre tierra perfecta". Actas del Instituto de Ingenieros de Radio . 12 (6). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos: 833– 839. doi : 10.1109/JRPROC.1924.220011 . S2CID 51639724 . 
  20. "Antena de mástil de media onda: una estructura de 665 pies que constituye un nuevo enfoque" (PDF) . Radio-Craft . 3 (5). Mount Morris, Illinois: Techni-Craft Publishing Corp.: 269 noviembre de 1931. Recuperado el 31 de agosto de 2014 .
  21. Siemens, Frederick (diciembre de 1931). "La nueva antena inalámbrica de WABC" (PDF) . Radio News . 8 ( 6). Nueva York: Teck Publishing Corp.: 462–463 . Consultado el 26 de mayo de 2015 .

Referencias

  • Johnson, Richard C. (1993). Manual de ingeniería de antenas, 3.ª ed. (PDF) . McGraw-Hill. ISBN 007032381X.
  • Laport, Edmund A. (1952). Ingeniería de antenas de radio . McGraw-Hill Book Co.
  • Smith, Brian W. (2007). Estructuras de la comunicación . Thomas Telford. ISBN 978-0-7277-3400-6.
  • Williams, Edmund, ed. (2007). Manual de ingeniería de la Asociación Nacional de Radiodifusores, 10.ª ed . Taylor and Francis. ISBN 978-0-240-80751-5.