Los mástiles y torres de radio son estructuras altas diseñadas para soportar antenas de telecomunicaciones y radiodifusión , incluida la televisión . Hay dos tipos principales: estructuras arriostradas y estructuras autoportantes. Se encuentran entre las estructuras más altas construidas por el hombre. Los mástiles suelen recibir el nombre de las organizaciones de radiodifusión que los construyeron originalmente o los utilizan actualmente.
Un radiador de mástil o torre radiante es aquel en el que el mástil o torre de metal en sí se energiza y funciona como antena transmisora.
Los términos "mástil" y "torre" suelen usarse indistintamente. Sin embargo, en términos de ingeniería estructural, una torre es una estructura autoportante o en voladizo , mientras que un mástil se sostiene mediante tirantes o cables tensores . [1]
Existen algunos diseños de vanguardia que son en parte independientes y en parte arriostrados, también llamados torres arriostradas . Ejemplos:
Los primeros experimentos en comunicación por radio fueron realizados por Guglielmo Marconi a partir de 1894. En 1895-1896 inventó el monopolo vertical o antena Marconi , que inicialmente era un cable suspendido de un poste alto de madera. Descubrió que cuanto más alta estaba suspendida la antena, más lejos podía transmitir, lo que supuso el primer reconocimiento de la necesidad de altura en las antenas. La radio empezó a utilizarse comercialmente para la comunicación radiotelegráfica alrededor de 1900. [2]
Los primeros 20 años de la radio comercial estuvieron dominados por estaciones radiotelegráficas , que transmitían a largas distancias utilizando longitudes de onda muy largas en la banda de frecuencias muy bajas , ondas tan largas que casi no se utilizan en la actualidad. Debido a que las longitudes de onda extremas eran de uno a varios kilómetros de longitud, incluso las antenas más altas factibles en comparación eran todavía demasiado cortas, eléctricamente , y en consecuencia tenían inherentemente una resistencia a la radiación muy baja (solo 5~25 ohmios). En cualquier antena, la baja resistencia a la radiación conduce a pérdidas de potencia excesivas en su sistema de tierra circundante , ya que la antena de baja resistencia no puede competir eficazmente por la potencia con la tierra de alta resistencia. Para compensar parcialmente, las estaciones radiotelegráficas utilizaron enormes antenas planas de carga superior capacitiva que consistían en cables horizontales tendidos entre múltiples torres de acero de 100 a 300 metros (330 a 980 pies) para aumentar la eficiencia. [2] (pp 77-78)
La transmisión de radio AM comenzó alrededor de 1920. La asignación de frecuencias de onda media para la transmisión planteó la posibilidad de utilizar mástiles verticales individuales sin carga superior. La antena utilizada para la transmisión durante la década de 1920 fue la antena T , que consistía en dos mástiles con cables de carga en la parte superior, tendidos entre ellos, lo que requería el doble de costos de construcción y área de terreno que un solo mástil. [2] (pp 77-78) En 1924, Stuart Ballantine publicó dos artículos históricos que llevaron al desarrollo de la antena de un solo mástil. [2] (pp 77-78) En el primero, derivó la resistencia de radiación de un conductor vertical sobre un plano de tierra . [3] (pp 833-839) Encontró que la resistencia de radiación aumentaba hasta un máximo a una longitud de 1 /2 longitud de onda , por lo que un mástil de esa longitud tenía una resistencia de entrada mucho mayor que la resistencia de tierra, lo que reducía la fracción de potencia del transmisor que se perdía en el sistema de tierra sin la ayuda 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 5 /8 longitud de onda . [3] (pp 823–832)
En 1930, el coste de la antena en T llevó a los radiodifusores a adoptar la antena de radiador de mástil , en la que la estructura metálica del propio mástil funciona como antena. [2] (pp 79–81) Uno de los primeros tipos utilizados fue la antena 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 tirantes , en su cintura ancha. El extremo inferior puntiagudo de la antena terminaba en un gran aislante cerámico en forma de rótula sobre una base de hormigón, aliviando los momentos de flexión en la estructura. El primero, un mástil de media onda de 665 pies (203 m), se instaló en el transmisor de 50 kW de la estación de radio WABC en Wayne, Nueva Jersey, en 1931. [4] [5] Durante la década de 1930 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, lo que causaba desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de escucha. [2] (págs. 79-81) En la década de 1940, la industria de transmisión AM había abandonado el diseño Blaw-Knox por el mástil de celosía de sección transversal estrecha y uniforme que se usa hoy en día, que tenía un mejor patrón de radiación.
El auge de la radiodifusión de FM y la televisión en las décadas de 1940 y 1950 creó la necesidad de mástiles aún más altos. La transmisión AM anterior utilizaba bandas LF y MF , donde las ondas de radio se propagan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra. Las ondas que se adhieren al suelo permitían que las señales viajaran más allá del horizonte, hasta cientos de kilómetros. Sin embargo, los transmisores de FM y TV más nuevos usaban la banda VHF , en la que las ondas de radio viajan por línea de visión , por lo que están limitadas por el horizonte visual . La única forma de cubrir áreas más grandes es elevar la antena lo suficiente para que tenga una trayectoria de línea de visión hacia ellas.
Hasta el 8 de agosto de 1991, la torre de radio de Varsovia era la estructura terrestre más alta del mundo; tras su derrumbe, la torre KVLY/KTHI-TV quedó como la más alta. En Estados Unidos hay más de 50 torres de radio que miden 600 m ( 1968,5 pies ) o más. [6]
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La celosía de acero es la forma de construcción más extendida. Proporciona gran resistencia, bajo peso y resistencia al viento, y economía en el uso de materiales. Las celosías de sección transversal triangular son las más comunes, aunque también se utilizan ampliamente las celosías cuadradas. A menudo se utilizan mástiles arriostrados ; los tirantes de soporte soportan fuerzas laterales como las cargas del viento, lo que permite que el mástil sea muy estrecho y de construcción sencilla.
Cuando se construye como una torre, la estructura puede tener lados paralelos o estrecharse en parte o en toda su altura. Cuando se construye con varias secciones que se estrechan exponencialmente con la altura, como la Torre Eiffel , se dice que la torre es eiffelizada. La torre Crystal Palace de Londres es un ejemplo.
Los mástiles arriostrados también se construyen a veces con tubos de acero. Este tipo de construcción tiene la ventaja de que los cables y otros componentes se pueden proteger de la intemperie dentro del tubo y, en consecuencia, la estructura puede parecer más limpia. Estos mástiles se utilizan principalmente para la transmisión de FM/TV, pero a veces también como radiador de mástil. El gran mástil de la estación transmisora Mühlacker es un buen ejemplo de esto. Una desventaja de este tipo de mástil es que se ve mucho más afectado por el viento que los mástiles con cuerpos abiertos. Varios mástiles arriostrados tubulares se han derrumbado. En el Reino Unido, los mástiles de las estaciones de televisión Emley Moor y Waltham se derrumbaron en la década de 1960. En Alemania, el transmisor Bielstein se derrumbó en 1985. Los mástiles tubulares no se construyeron en todos los países. En Alemania, Francia, el Reino Unido, la República Checa, Eslovaquia, Japón y la Unión Soviética, se construyeron muchos mástiles arriostrados tubulares, mientras que casi no hay ninguno en Polonia o América del Norte.
En ciudades de Rusia y Ucrania se construyeron varios mástiles tubulares arriostrados. Estos mástiles tenían barras transversales horizontales que iban desde la estructura del mástil central hasta las barras y se construyeron en la década de 1960. Las barras transversales de estos mástiles están equipadas con una pasarela que sostiene antenas más pequeñas, aunque su propósito principal es la amortiguación de oscilaciones. La designación de diseño de estos mástiles es 30107 KM y se utilizan exclusivamente para FM y TV y tienen entre 150 y 200 metros (490 y 660 pies) de altura con una excepción. La excepción es el mástil en Vinnytsia que tiene una altura de 354 m (1161 pies) y actualmente es el mástil tubular arriostrado más alto del mundo después de que la estación transmisora Belmont se redujera en altura en 2010.
Las torres de hormigón armado son relativamente caras de construir, pero proporcionan un alto grado de rigidez mecánica en caso de fuertes vientos. Esto puede ser importante cuando se utilizan antenas con anchos de haz estrechos, como las que se utilizan para enlaces punto a punto de microondas, y cuando la estructura va a estar ocupada por personas.
En la década de 1950, AT&T construyó numerosas torres de hormigón, más parecidas a silos que a torres, para su primera ruta de microondas transcontinental. [7] [8]
En Alemania y los Países Bajos, la mayoría de las torres construidas para enlaces de microondas punto a punto están hechas de hormigón armado , mientras que en el Reino Unido la mayoría son torres de celosía .
Las torres de hormigón pueden constituir puntos de referencia prestigiosos, como la Torre CN de Toronto (Canadá). Además de albergar al personal técnico, estos edificios pueden contar con zonas públicas como miradores o restaurantes.
La torre de televisión Katanga, cerca de Jabalpur , Madhya Pradesh, en el centro de la India, alberga un transmisor de alta potencia para las emisoras públicas Doordarshan y Prasar Bharati .
La Torre de Televisión de Stuttgart fue la primera torre del mundo construida en hormigón armado. Fue diseñada en 1956 por el ingeniero civil local Fritz Leonhardt .
Los postes de fibra de vidrio se utilizan ocasionalmente para balizas no direccionales de baja potencia o transmisores de transmisión de onda media.
Los monopolos y torres de fibra de carbono tradicionalmente han sido demasiado caros, pero los recientes avances en la forma de hilar el cable de fibra de carbono han dado como resultado soluciones que ofrecen resistencias que superan al acero (10 veces) por una fracción del peso (70% menos [9] ), lo que ha permitido construir monopolos y torres en lugares que eran demasiado caros o de difícil acceso con el equipo de elevación pesado que se necesita para una estructura de acero.
En general, una estructura de fibra de carbono se construye entre un 40 y un 50 % más rápido que los materiales de construcción tradicionales.
A partir de 2022 [update], la madera, un material poco común en la construcción de torres de telecomunicaciones, ha comenzado a ser cada vez más común. En 2022, una torre de telecomunicaciones de madera, la primera de su tipo en Italia, reemplazó una estructura de acero previamente existente para integrarse con su entorno boscoso. [10] Una de las razones más citadas por las que las empresas de telecomunicaciones optan por la madera es porque es el único material de la industria que es positivo para el clima . [11] Por esta razón, algunos distribuidores de postes de servicios públicos comenzaron a ofrecer torres de madera para satisfacer las crecientes demandas de infraestructura 5G. En Estados Unidos, por ejemplo, el distribuidor de postes de servicios públicos de madera Bell Lumber & Pole comenzó a desarrollar productos para la industria de las telecomunicaciones . [12]
Los mástiles más cortos pueden consistir en un poste de madera autoportante o atirantado, similar a un poste de telégrafo. A veces se utilizan postes de acero galvanizado tubulares autoportantes : estos pueden denominarse monopolos.
En algunos casos, es posible instalar antenas transmisoras en los techos de edificios altos. En América del Norte , por ejemplo, hay antenas transmisoras en el Empire State Building , la Torre Willis , la Torre Prudential , 4 Times Square y el One World Trade Center . La Torre Norte del World Trade Center original también tenía una antena de telecomunicaciones de 110 metros (360 pies) sobre su techo, construida en 1978-1979, y comenzó a transmitir en 1980. Cuando los edificios se derrumbaron, varias estaciones de radio y televisión locales quedaron fuera del aire hasta que se pudieron poner en servicio transmisores de respaldo. [13] Tales instalaciones también existen en Europa , particularmente para servicios de radio portátiles y estaciones de radio FM de baja potencia . En Londres , la BBC erigió en 1936 un mástil para transmitir televisión temprana en una de las torres de un edificio victoriano, el Alexandra Palace . Todavía está en uso.
A veces se pueden introducir sitios celulares camuflados en entornos que requieren un resultado visual de bajo impacto, haciéndoselos parecer árboles, chimeneas u otras estructuras comunes.
Muchas personas consideran que las torres de telefonía celular vacías son feas y una intrusión en sus vecindarios. Aunque la gente depende cada vez más de las comunicaciones celulares, se oponen a que las torres vacías estropeen las vistas panorámicas. Muchas empresas ofrecen "ocultar" las torres de telefonía celular en árboles, torres de iglesias, mástiles de banderas, tanques de agua y otros elementos. [14] Hay muchos proveedores que ofrecen estos servicios como parte del servicio normal de instalación y mantenimiento de torres. Por lo general, se las llama "torres ocultas" o "instalaciones ocultas", o simplemente sitios celulares ocultos .
El nivel de detalle y realismo logrado por las torres de telefonía celular camufladas es notablemente alto; por ejemplo, las torres camufladas en árboles son casi indistinguibles de las reales. [15] Estas torres se pueden colocar discretamente en parques nacionales y otros lugares protegidos, como las torres camufladas en cactus en el Bosque Nacional Coronado de Estados Unidos . [16]
Sin embargo, incluso cuando están camufladas, estas torres pueden crear controversia; una torre que también sirve como asta de bandera generó controversia en 2004 en relación con la campaña presidencial estadounidense de ese año , y destacó el sentimiento de que tales disfraces sirven más para permitir la instalación de tales torres de manera subterfugiada, lejos del escrutinio público, en lugar de servir para embellecer el paisaje. [17]
Un radiador de mástil o antena de mástil es una torre de radio o mástil en el que toda la estructura es una antena. Las antenas de mástil son las antenas de transmisión típicas para la radiodifusión de onda larga o media .
Estructuralmente, la única diferencia es que algunos radiadores de mástil requieren que la base del mástil esté aislada del suelo. En el caso de una torre aislada, normalmente habrá un aislador que sostenga cada pata. Sin embargo, algunos diseños de antena de mástil no requieren aislamiento, por lo que el aislamiento de la base no es una característica esencial.
Una forma especial de torre de radio es el mástil telescópico . Estos se pueden erigir muy rápidamente. Los mástiles telescópicos se utilizan predominantemente para establecer enlaces de radio temporales para informar sobre eventos noticiosos importantes y para comunicaciones temporales en emergencias. También se utilizan en redes militares tácticas. Pueden ahorrar dinero al necesitar soportar vientos fuertes solo cuando están elevados, y como tal, se utilizan ampliamente en la radioafición .
Los mástiles telescópicos constan de dos o más secciones concéntricas y vienen en dos tipos principales:
Un globo o una cometa atados pueden servir como soporte temporal. Pueden llevar una antena o un cable (para VLF, LW o MW) hasta una altura apropiada. Este tipo de disposición es utilizada ocasionalmente por agencias militares o radioaficionados. La emisora estadounidense TV Martí transmitió un programa de televisión a Cuba mediante un globo de este tipo.
En 2013, comenzó a despertar interés en el uso de vehículos aéreos no tripulados (drones) para fines de telecomunicaciones. [18]
Para dos transmisores VLF se utilizan antenas de alambre dispuestas a lo largo de valles profundos. Los cables están sostenidos por pequeños mástiles o torres o anclajes en rocas. La misma técnica también se utilizó en la estación de radio de Criggion .
Para los transmisores ELF se utilizan antenas dipolares terrestres . Estas estructuras no requieren mástiles altos. Consisten en dos electrodos enterrados profundamente en el suelo, a una distancia de al menos unas decenas de kilómetros. Desde el edificio del transmisor hasta los electrodos discurren líneas de alimentación aéreas. Estas líneas parecen líneas eléctricas del nivel de 10 kV y están instaladas en torres similares.
En el caso de transmisiones en el rango de onda corta , no se consigue mucho elevando la antena más de la mitad o tres cuartos de longitud de onda por encima del nivel del suelo, y en frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas, la altura se vuelve inviable (superior a 85 metros [279 pies]). Los transmisores de onda corta rara vez utilizan mástiles de más de 100 metros de altura.
Debido a que los mástiles, las torres y las antenas que se montan en ellos requieren mantenimiento, es necesario acceder a toda la estructura. Por lo general, se accede a las estructuras pequeñas con una escalera . Las estructuras más grandes, que tienden a requerir un mantenimiento más frecuente, pueden tener escaleras y, a veces, un ascensor, también llamado elevador de servicio.
Las estructuras altas que superan ciertas alturas establecidas por la legislación suelen estar equipadas con lámparas de advertencia para aeronaves , generalmente rojas, para advertir a los pilotos de la existencia de la estructura. En el pasado, se utilizaban lámparas de filamento reforzadas y de bajo consumo para maximizar la vida útil de la bombilla. Alternativamente, se utilizaban lámparas de neón. Hoy en día, estas lámparas tienden a utilizar conjuntos de LED .
Los requisitos de altura varían según los estados y países, y pueden incluir reglas adicionales, como exigir una luz estroboscópica blanca intermitente durante el día y luces rojas intermitentes durante la noche. También se puede exigir que las estructuras que superen una determinada altura se pinten con esquemas de colores contrastantes , como blanco y naranja o blanco y rojo, para que sean más visibles contra el cielo.
En algunos países donde la contaminación lumínica es un problema, se pueden restringir las alturas de las torres para reducir o eliminar la necesidad de luces de advertencia para aeronaves. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la Ley de Telecomunicaciones de 1996 permite a las jurisdicciones locales establecer alturas máximas para las torres, como limitar la altura de la torre a menos de 200 pies (61 m) y, por lo tanto, no exigir iluminación para aeronaves según las normas de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estados Unidos.
Un problema con las antenas de radio es el peligro de oscilaciones inducidas por el viento. Esto es particularmente preocupante en las construcciones con tubos de acero. Se puede reducir este problema incorporando amortiguadores cilíndricos en la construcción. Se encuentran amortiguadores de este tipo, que parecen cilindros más gruesos que el mástil, por ejemplo, en las antenas de radio de DHO38 en Saterland . También hay construcciones que consisten en una torre independiente, generalmente de hormigón armado , sobre la que se instala un mástil de radio atirantado. Un ejemplo es la Torre Gerbrandy en Lopik , Países Bajos. Se pueden encontrar más torres de este tipo cerca de Smilde , Países Bajos y la Fernsehturm en Waldenburg , Alemania.
Se ha documentado que las torres de radio, televisión y telefonía móvil suponen un peligro para las aves. Se han publicado informes que documentan muertes de aves conocidas y piden que se realicen investigaciones para encontrar formas de minimizar el peligro que las torres de comunicaciones pueden suponer para las aves. [19] [20]
También ha habido casos de aves raras que anidan en torres de telefonía móvil, impidiendo así los trabajos de reparación debido a la legislación destinada a protegerlas. [21] [22]
