Los mástiles y torres de radio suelen ser estructuras altas diseñadas para soportar antenas de telecomunicaciones y radiodifusión , incluida la televisión . Hay dos tipos principales: estructuras arriostradas y autoportantes. Se encuentran entre las estructuras más altas construidas por el hombre. Los mástiles suelen recibir el nombre de los organismos de radiodifusión que los construyeron originalmente o que los utilizan actualmente.
Un radiador de mástil o torre radiante es aquel en el que el mástil o torre de metal se energiza y funciona como antena transmisora.
Los términos "mástil" y "torre" suelen utilizarse 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 tirantes .
Hay algunos diseños límite que son en parte independientes y en parte arriostrados, llamados también 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 comenzó a utilizarse comercialmente para comunicaciones radiotelegráficas alrededor de 1900. [1]
Los primeros 20 años de la radio comercial estuvieron dominados por las 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 tenían de uno a varios kilómetros de largo, 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, una baja resistencia a la radiación conduce a pérdidas excesivas de potencia en el 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 de radiotelegrafía utilizaron enormes antenas planas capacitivamente cargadas en la parte superior que consistían en cables horizontales tendidos entre múltiples torres de acero de 100 a 300 metros (330 a 980 pies) para aumentar la eficiencia. [1] (págs. 77 y 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 transmitir 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. [1] (págs. 77–78) En 1924, Stuart Ballantine publicó dos artículos históricos que condujeron al desarrollo de la antena de un solo mástil. [1] (págs. 77–78) En el primero derivó la resistencia a la radiación de un conductor vertical sobre un plano de tierra . [2] (págs. 833–839) Encontró que la resistencia a la radiación aumentaba hasta un máximo en 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 del suelo, 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 energía radiada horizontalmente en ondas terrestres alcanzaba un máximo a una altura de mástil de 5 /8 longitud de onda . [2] (págs. 823–832)
En 1930, el coste de la antena T llevó a las emisoras a adoptar la antena de radiador de mástil , en la que la estructura metálica del mástil funciona como antena. [1] (págs. 79–81) Uno de los primeros tipos utilizados fue el voladizo de diamantes o torre Blaw-Knox . Tenía forma de diamante ( romboédrico ) lo que lo hacía rígido, por lo que solo se necesitaba un conjunto de vientos 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. [3] [4] 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 elevados, provocando un desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de escucha. [1] (págs. 79–81) En la década de 1940, la industria de radiodifusión AM había abandonado el diseño de Blaw-Knox por el mástil de celosía de sección transversal estrecha y uniforme que se utiliza hoy en día, que tenía un mejor patrón de radiación.
El auge de la radiodifusión 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 abrazaban el suelo permitieron que las señales viajaran más allá del horizonte, a cientos de kilómetros. Sin embargo, los transmisores de FM y TV más nuevos utilizaban la banda VHF , en la que las ondas de radio viajan con 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 suficientemente alto como para que tenga una línea de visión hacia ellas.
Hasta el 8 de agosto de 1991, la torre de radio de Varsovia era la estructura sustentada en tierra más alta del mundo; su colapso dejó el mástil de KVLY/KTHI-TV como el más alto. Hay más de 50 estructuras de radio en los Estados Unidos que miden 600 m ( 1 968,5 pies ) o más. [5]
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La celosía de acero es la forma de construcción más extendida. Proporciona gran solidez, bajo peso y resistencia al viento, y economía en el uso de materiales. Las celosías de sección transversal triangular son las más comunes y las celosías cuadradas también se utilizan ampliamente. A menudo se utilizan mástiles arriostrados ; los vientos de soporte soportan fuerzas laterales como, por ejemplo, cargas de viento, lo que permite que el mástil sea muy estrecho y de construcción sencilla.
Cuando se construye como 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, a la manera de la Torre Eiffel , se dice que la torre es eiffelizada. La torre Crystal Palace de Londres es un ejemplo.
A veces, los mástiles arriostrados también se construyen con tubos de acero. Este tipo de construcción tiene la ventaja de que los cables y otros componentes pueden protegerse de la intemperie dentro del tubo y, en consecuencia, la estructura puede verse más limpia. Estos mástiles se utilizan principalmente para la transmisión de FM/TV, pero a veces también como radiadores de mástil. El gran mástil de la estación emisora de Mühlacker es un buen ejemplo de ello. La desventaja de este tipo de mástil es que se ve mucho más afectado por el viento que los mástiles con cuerpo abierto. Se han derrumbado varios mástiles tubulares arriostrados. En el Reino Unido, los mástiles de las estaciones de televisión Emley Moor y Waltham colapsaron en la década de 1960. En Alemania, el transmisor Bielstein se derrumbó en 1985. No en todos los países se construyeron mástiles tubulares. En Alemania, Francia, el Reino Unido, la República Checa, Eslovaquia, Japón y la Unión Soviética se construyeron muchos mástiles tubulares arriostrados, mientras que en Polonia o América del Norte casi no hay ninguno.
Se construyeron varios mástiles tubulares arriostrados en ciudades de Rusia y Ucrania. Estos mástiles presentaban barras transversales horizontales que iban desde la estructura del mástil central hasta las vigas y se construyeron en la década de 1960. Los travesaños de estos mástiles están equipados con una pasarela que sostiene antenas más pequeñas, aunque su objetivo principal es amortiguar las 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 se redujera la altura de la estación transmisora de Belmont en 2010.
Las torres de hormigón armado son relativamente caras de construir, pero proporcionan un alto grado de rigidez mecánica ante vientos fuertes. Esto puede ser importante cuando se utilizan antenas con anchos de haz estrechos, como las utilizadas para enlaces punto a punto de microondas, y cuando la estructura va a ser 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 transcontinental de microondas. [6] [7]
En Alemania y los Países Bajos la mayoría de las torres construidas para enlaces de microondas punto a punto son de hormigón armado , mientras que en el Reino Unido la mayoría son torres de celosía .
Las torres de hormigón pueden formar monumentos prestigiosos, como la Torre CN en Toronto , Canadá. Además de albergar al personal técnico, estos edificios pueden tener áreas públicas como plataformas de observación 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 con hormigón armado. Fue diseñado 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 han sido tradicionalmente demasiado caros, pero los avances recientes en la forma en que se hila 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 [8] ) que ha permitido construir monopolos y torres en lugares demasiado costosos 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 en comparación con los materiales de construcción tradicionales.
A partir de 2022 [actualizar], la madera, que anteriormente era un material común para la construcción de torres de telecomunicaciones, comenzó 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 en su entorno boscoso. [9] 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 . [10] Por esta razón, algunos distribuidores de postes de servicios públicos comenzaron a ofrecer torres de madera para satisfacer las crecientes demandas de la infraestructura 5G. En Estados Unidos, por ejemplo, el distribuidor de postes de madera para servicios públicos Bell Lumber & Pole comenzó a desarrollar productos para la industria de las telecomunicaciones . [11]
Los mástiles más cortos pueden consistir en un poste de madera autoportante o arriostrado, similar a un poste de telégrafo. A veces se utilizan postes tubulares de acero galvanizado autoportantes : pueden denominarse monopolos.
En algunos casos, es posible instalar antenas transmisoras en los tejados de edificios altos. En Norteamérica , por ejemplo, hay antenas transmisoras en el Empire State Building , la Willis Tower , la Prudential Tower , el 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) encima de su techo, construida en 1978-1979, y comenzó a transmitir en 1980. Cuando los edificios colapsaron, varias estaciones de radio y televisión locales quedaron derribadas. fuera del aire hasta que los transmisores de respaldo pudieran ponerse en servicio. [12] Este tipo de 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 retransmitir la televisión antigua en una de las torres de un edificio victoriano, el Alexandra Palace . Todavía está en uso.
A veces se pueden introducir sitios celulares disfrazados en entornos que requieren un resultado visual de bajo impacto, haciéndolos parecer árboles, chimeneas u otras estructuras comunes.
Mucha gente considera que las torres de telefonía celular desnudas son feas y una intrusión en sus vecindarios. Aunque la gente depende cada vez más de las comunicaciones móviles, se oponen a que las torres desnudas estropeen las vistas panorámicas. Muchas empresas ofrecen "ocultar" torres de telefonía móvil en árboles, torres de iglesias, mástiles de banderas, tanques de agua y otros elementos, o como tales. [13] Hay muchos proveedores que ofrecen estos servicios como parte del servicio normal de instalación y mantenimiento de torres. Generalmente se denominan "torres furtivas" o "instalaciones furtivas", o simplemente sitios celulares ocultos .
El nivel de detalle y realismo alcanzado por las torres de telefonía móvil disfrazadas es notablemente alto; por ejemplo, estas torres disfrazadas de árboles son casi indistinguibles de las reales. [14] Estas torres se pueden colocar discretamente en parques nacionales y otros lugares protegidos, como las torres disfrazadas de cactus en el Bosque Nacional Coronado de Estados Unidos . [15]
Sin embargo, incluso cuando están disfrazadas, estas torres pueden generar controversia; una torre que funcionaba 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 como subterfugio, lejos del escrutinio público, que para servir a el embellecimiento del paisaje. [dieciséis]
Un radiador de mástil o antena de mástil es una torre o mástil de radio en el que toda la estructura es una antena. Las antenas de mástil son las antenas transmisoras típicas de 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 aislante que sostenga cada pata. Sin embargo, algunos diseños de antenas 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 montar muy rápidamente. Los mástiles telescópicos se utilizan principalmente para establecer enlaces de radio temporales para informar sobre acontecimientos noticiosos importantes y para comunicaciones temporales en emergencias. También se utilizan en redes militares tácticas. Pueden ahorrar dinero al tener que soportar fuertes vientos sólo cuando están elevados y, como tales, se utilizan ampliamente en radioaficionados .
Los mástiles telescópicos constan de dos o más secciones concéntricas y se presentan en dos tipos principales:
Un globo atado o una cometa pueden servir como soporte temporal. Puede llevar una antena o un cable (para VLF, LW o MW) hasta una altura adecuada. Esta 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 el interés por el uso de vehículos aéreos no tripulados (drones) con fines de telecomunicaciones. [17]
Para dos transmisores VLF se utilizan antenas de alambre tejidas a través de valles profundos. Los cables están sostenidos por pequeños mástiles o torres o anclajes de roca. La misma técnica se utilizó también en la emisora de radio Criggion .
Para los transmisores ELF se utilizan antenas dipolo terrestres . Estas estructuras no requieren mástiles altos. Consisten en dos electrodos enterrados profundamente en el suelo, al menos a unas pocas decenas de kilómetros de distancia. Desde el edificio del transmisor hasta los electrodos discurren líneas aéreas de alimentación. Estas líneas parecen líneas eléctricas del nivel de 10 kV y están instaladas sobre torres de alta tensión similares.
Para transmisiones en el rango de onda corta , se gana poco elevando la antena más de la mitad a tres cuartos de una longitud de onda sobre el nivel del suelo, y en frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas, la altura se vuelve inviable (más de 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, torres y las antenas montadas 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 ascensor de servicio.
Las estructuras altas que superan determinadas alturas legisladas suelen estar equipadas con luces de advertencia de aeronaves , normalmente rojas, para advertir a los pilotos de la existencia de la estructura. En el pasado, se utilizaban lámparas de filamento resistentes y de bajo funcionamiento para maximizar la vida útil de la bombilla. Alternativamente se utilizaron lámparas de neón. Hoy en día, estas lámparas tienden a utilizar matrices de LED .
Los requisitos de altura varían según los estados y países, y pueden incluir reglas adicionales, como exigir una luz estroboscópica intermitente blanca durante el día y luces rojas pulsantes durante la noche. También es posible que sea necesario pintar las estructuras de cierta altura con combinaciones de colores contrastantes , como blanco y naranja o blanco y rojo, para hacerlas más visibles contra el cielo.
En algunos países donde la contaminación lumínica es un problema, se puede restringir la altura de las torres para reducir o eliminar la necesidad de luces de advertencia para las 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 las torres a menos de 200 pies (61 m) y, por lo tanto, no exigir la iluminación de las aeronaves según las normas de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estados Unidos.
Un problema de los mástiles de radio es el peligro de las oscilaciones inducidas por el viento. Esto es particularmente preocupante con la construcción de tubos de acero. Esto se puede reducir incorporando amortiguadores cilíndricos en la construcción. Estos amortiguadores, que parecen cilindros más gruesos que el mástil, se encuentran, por ejemplo, en los mástiles de radio del DHO38 en Saterland . También hay construcciones que constan de una torre independiente, generalmente de hormigón armado , sobre la que se instala una torre de radio arriostrada. Un ejemplo es la Torre Gerbrandy en Lopik , Países Bajos. Se pueden encontrar más torres de este método de construcción cerca de Smilde , Países Bajos y Fernsehturm en Waldenburg , Alemania.
Se ha documentado que las torres de radio, televisión y telefonía celular representan un peligro para las aves. Se han emitido informes que documentan muertes de aves conocidas y exigen investigaciones para encontrar formas de minimizar el peligro que las torres de comunicaciones pueden representar para las aves. [18] [19]
También ha habido casos de aves raras que anidan en torres de telefonía móvil y, por lo tanto, impiden los trabajos de reparación debido a la legislación destinada a protegerlas. [20] [21]
