Radiador de mástil

Un radiador de mástil (o torre radiante ) es un mástil o torre de radio en el que la propia estructura metálica se energiza y funciona como una antena . Este diseño, utilizado por primera vez ampliamente en la década de 1930, se utiliza comúnmente para antenas de transmisión que operan a bajas frecuencias , en las bandas LF y MF , en particular las utilizadas para estaciones de transmisión de radio AM . El mástil de acero conductor está conectado eléctricamente al transmisor . Su base suele estar montada sobre un soporte no conductor para aislarlo del suelo. Un radiador de mástil es una forma de antena monopolar .

La mayoría de los radiadores de mástil se construyen como mástiles atirantados . ^{[1] [2]} Los mástiles de celosía de acero de sección transversal triangular son el tipo más común. A veces también se utilizan mástiles de celosía cuadrados y mástiles tubulares. Para garantizar que la torre sea un conductor continuo, las secciones estructurales de la torre están unidas eléctricamente en las juntas mediante puentes de cobre cortos que se sueldan a cada lado o soldaduras de "fusión" (arco) a través de las bridas de acoplamiento.

Los mástiles alimentados por base, el tipo más común, deben estar aislados del suelo. En su base, el mástil suele estar montado sobre un aislante cerámico grueso , que tiene la resistencia a la compresión para soportar el peso de la torre y la rigidez dieléctrica para soportar el alto voltaje aplicado por el transmisor. La potencia de RF para accionar la antena se suministra mediante una red de adaptación de impedancia , normalmente alojada en una caseta de sintonización de antena cerca de la base del mástil, y el cable que suministra la corriente simplemente se atornilla o se suelda a la torre. El transmisor real suele estar ubicado en un edificio separado, que suministra potencia de RF a la caseta de sintonización a través de una línea de transmisión .

Para mantenerlo en posición vertical, el mástil tiene cables tensados , generalmente en grupos de 3 en ángulos de 120°, que se anclan al suelo generalmente con anclajes de hormigón . Se utilizan varios grupos de cables (de 2 a 5) a diferentes niveles para hacer que la torre sea rígida contra el pandeo. Los cables tensores tienen aisladores de tensión insertados, generalmente en la parte superior cerca del punto de fijación al mástil, para aislar el cable conductor del mástil, evitando que el alto voltaje de la torre llegue al suelo.

Aunque están aislados del mástil, los cables conductores pueden actuar eléctricamente como antenas resonantes ( elementos parásitos ), absorbiendo y reirradiando ondas de radio desde el mástil, alterando el patrón de radiación de la antena. Para evitar esto, se insertan aisladores de tensión adicionales a intervalos en los cables 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 la longitud de onda ( ). ^[3]${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{8}}\lambda \sim {\tfrac {1}{\ 10\ }}\lambda \ }$

Los radiadores de mástil también pueden construirse como torres de celosía independientes , anchas en la parte inferior para lograr estabilidad, 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 área de tierra requerida. Estas torres pueden tener una sección transversal triangular o cuadrada, con cada pata apoyada sobre un aislante. Una desventaja es que la base ancha de la torre distorsiona el patrón de corriente vertical en la torre, lo que reduce la resistencia a la radiación y, por lo tanto, la potencia radiada, por lo que se prefieren los mástiles atirantados. ^{[ cita requerida ]}

El Ministerio de Radio de un país suele tener autoridad regulatoria sobre el diseño y el funcionamiento de las antenas de radio, además de los códigos de construcción locales que cubren el diseño estructural. En los EE. UU., esta autoridad es la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Los planes para una antena deben ser aprobados por los reguladores antes de su construcción.

Un radiador de mástil único es una antena omnidireccional que irradia la misma potencia de ondas de radio en todas las direcciones horizontales. ^[4] Los radiadores de mástil irradian ondas de radio polarizadas verticalmente , y la mayor parte de la potencia se emite 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 ondas terrestres y son el principal tipo de antenas de transmisión utilizadas por las estaciones de radio AM, así como otros servicios de radio en las bandas MF y LF. También pueden radiar suficiente potencia en ángulos de elevación más altos para la transmisión de radio de onda ionosférica (saltada).

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

El transmisor que genera la corriente de radiofrecuencia a menudo se encuentra en un edificio a poca distancia del mástil, por lo que su electrónica sensible y el personal operativo no estarán 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 un escudo Faraday de pantalla de cobre para mantener alejadas las ondas de radio. La corriente del transmisor se entrega 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, generalmente se utiliza un cable coaxial aislado con 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 hacer coincidir la línea de transmisión con el mástil. ^[5] Esto puede ubicarse en una caja impermeable o un pequeño cobertizo llamado cabaña de sintonización de antena (casa helicoidal) al lado del mástil. El circuito de sintonización de antena hace coincidir la impedancia característica de la línea de alimentación con la impedancia de la antena (dada por el gráfico siguiente), e incluye una reactancia , normalmente una bobina de carga , para sintonizar la reactancia de la antena, para hacerla resonante en la frecuencia de funcionamiento. Sin el sintonizador de antena, el desajuste de impedancia entre la antena y la línea de alimentación provocaría una condición llamada ondas estacionarias ( ROE alta ), en la que parte de la potencia de radio se refleja de vuelta por 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.

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

• Serie excitada (alimentación de base) : el mástil está soportado sobre un aislador y se alimenta en la parte inferior; un lado de la línea de alimentación desde la carcasa de la hélice está conectado a la parte inferior del mástil y el otro a un sistema de tierra debajo del mástil. Este es el tipo de alimentación más común, utilizado en la mayoría de los mástiles de estaciones de radio AM. ^{[4] [6]}
• Excitación en derivación : la parte inferior del mástil está conectada a tierra y un lado de la línea de alimentación está conectado a la parte superior del mástil y el otro al sistema de tierra debajo del mástil. ^[6] La impedancia del mástil aumenta a lo largo de su longitud, por lo que al elegir la altura correcta para conectar, la antena puede adaptarse a la impedancia de la línea de alimentación. Esto evita la necesidad de aislar el mástil del suelo, elimina la necesidad de un aislador en la línea de alimentación de luces de la aeronave y el peligro de descarga eléctrica de altos voltajes en la base del mástil.
• Unipolo plegado : se puede considerar una variante de la alimentación en derivación, como se muestra arriba. 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 torre simple.
• Seccional : también conocida como "antena antidesvanecimiento", el mástil está dividido 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 ángulo bajo (onda terrestre) y reduce la radiación de ángulo alto (onda ionosférica). Esto aumenta la distancia a la zona de amortiguación donde la onda terrestre y la onda ionosférica tienen una intensidad similar durante la noche.

Las regulaciones gubernamentales generalmente requieren que la energía suministrada a la antena sea monitoreada en la base de la antena, por lo que la caseta de sintonización de antena también incluye un circuito de muestreo de corriente de 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.

La altura ideal de un radiador de mástil depende de la frecuencia de transmisión , la distribución geográfica de la audiencia oyente y el terreno. Un radiador de mástil no seccionado es una antena monopolar , y su patrón de radiación vertical , la cantidad de potencia que irradia en diferentes ángulos de elevación, está determinada por su altura en comparación con la longitud de onda de las ondas de radio, igual a la velocidad de la luz dividida por la frecuencia . La altura del mástil suele especificarse en fracciones de la longitud de onda o en " grados eléctricos ".${\estilo de visualización f}$${\estilo de visualización h}$ ${\displaystyle \lambda = c/f}$${\estilo de visualización c}$${\estilo de visualización f}$

${\displaystyle G=360^{\circ }{h \sobre \lambda }}$

donde cada grado equivale a metros. La distribución de la 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 de un cuarto de longitud de onda hacia abajo ^{[6] [8]}${\displaystyle \lambda /360}$

${\displaystyle i(y)=I_{\text{máx}}\sin(Gy)}$

donde es la corriente a una altura de grados eléctricos sobre el suelo, y es la corriente máxima. A alturas de un poco menos de un múltiplo de un cuarto de longitud de onda, ... (G = 90°, 180°, 270°...) el mástil es resonante ; a estas alturas la antena presenta una resistencia pura a la línea de alimentación , simplificando la adaptación de impedancia de la línea de alimentación a la antena. En otras longitudes la antena tiene reactancia capacitiva o reactancia inductiva . Sin embargo, los mástiles de estas longitudes se pueden alimentar de manera eficiente cancelando la reactancia de la antena con una reactancia conjugada en la red de adaptación en la casa de la hélice. Debido al grosor finito del mástil, la resistencia y otros factores, la corriente de antena real en el mástil difiere significativamente de la onda sinusoidal ideal supuesta anteriormente, y como lo muestra el gráfico, las longitudes resonantes de una torre típica están más cerca de 80°, 140° y 240°.${\displaystyle i(y)}$${\estilo de visualización y}$${\displaystyle I_{\text{máx}}}$${\displaystyle {1 \sobre 4}\lambda ,{1 \sobre 2}\lambda ,{3 \sobre 4}\lambda }$

Las ondas terrestres viajan horizontalmente desde la antena justo por encima del suelo, por lo tanto, el objetivo de la mayoría de los diseños de mástiles es irradiar una cantidad máxima de potencia en direcciones horizontales. ^[9] Una antena monopolo ideal irradia máxima potencia en direcciones horizontales a una altura de 225 grados eléctricos, aproximadamente5/8⁠ 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 en = 0,637 ^[6] ) Como se muestra en el diagrama, a alturas por debajo de la mitad de la longitud de onda (180 grados eléctricos) el patrón de radiación de la antena tiene un solo lóbulo con un máximo en direcciones horizontales. A alturas por encima de la mitad de la longitud de onda, el patrón se divide y tiene un segundo lóbulo dirigido al cielo en un ángulo de aproximadamente 60°. La razón por la que la radiación horizontal es máxima en 0,625 es que a un poco más 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 altos, lo que hace que la mayor parte de la potencia se emita en direcciones horizontales. ^[6] Las alturas superiores a 0,625 no se utilizan generalmente porque por encima de esto la potencia radiada en direcciones horizontales disminuye rápidamente debido al aumento de la potencia desperdiciada en el cielo en el segundo lóbulo. ^[4]${\displaystyle 2\lambda /\pi }$${\estilo de visualización \lambda}$${\estilo de visualización \lambda}$${\estilo de visualización \lambda}$

Para los mástiles de transmisión de banda AM de onda media, 0,625 correspondería a una altura de 117 a 341 m (384 a 1119 pies), y más para los mástiles de onda larga. Los altos costos de construcción de mástiles tan altos implican que con frecuencia se utilizan mástiles más cortos.${\estilo de visualización \lambda}$

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 antena para calcular un mapa de la intensidad de la señal producida por mástiles reales disponibles comercialmente sobre el terreno real. Esto se compara con la distribución de la población de audiencia para encontrar el mejor diseño. ^[10]

Un segundo objetivo de diseño que afecta a la altura es reducir el desvanecimiento por trayectos múltiples en el área de recepción. ^[9] Parte de la energía de radio irradiada en un 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 zona de papilla . 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 irradiada en el segundo lóbulo se puede reducir lo suficiente 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 0,53 , por lo que esta es otra altura común para los mástiles. ^[6]${\estilo de visualización \lambda}$

Un tipo de mástil con un rendimiento antidesvanecimiento mejorado es el mástil seccionalizado, también llamado mástil antidesvanecimiento. ^{[11] [12]} En un mástil seccionalizado, los aisladores en los miembros 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 de 0,625 sin una radiación de ángulo alto excesiva. Los seccionales prácticos con alturas de 120 sobre 120 grados, 180 sobre 120 grados y 180 sobre 180 grados están actualmente en funcionamiento con buenos resultados.${\estilo de visualización \lambda}$

El límite inferior de la frecuencia en la que se pueden utilizar los radiadores de mástil está 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 la frecuencia disminuye, la longitud de onda aumenta, por lo que se requiere una antena más alta para generar una fracción determinada de una longitud de onda. Los costos de construcción y la superficie de terreno requerida aumentan con la altura, lo que establece un límite práctico para 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 miden alrededor de 600 m (2000 pies). Otra limitación en algunas áreas son las restricciones de altura de las estructuras; cerca de los aeropuertos, las autoridades de aviación pueden limitar la altura máxima de los mástiles. Estas restricciones a menudo requieren que se utilice un mástil que sea más corto que la altura ideal.

Las antenas significativamente más cortas que la longitud de resonancia fundamental de un cuarto de la longitud de onda (0,25 , 90 grados eléctricos) se denominan antenas eléctricamente cortas . Las 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 accionadas eficientemente debido a su baja resistencia a la radiación . ^[6] La resistencia a la radiación de la antena, la resistencia eléctrica que representa la potencia radiada como ondas de radio, que es de alrededor de 25-37  ohmios en 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 enterrado, están en serie con la resistencia a la radiación, y la potencia del transmisor se divide proporcionalmente entre ellas. A medida que la resistencia a la radiación disminuye, más potencia del transmisor se disipa como calor en estas resistencias, lo que reduce la eficiencia de la antena. Los mástiles más cortos de 0,17 (60 grados eléctricos) rara vez se utilizan. A esta altura, la resistencia a la radiación es de unos 10 ohmios, por lo que la resistencia típica de un sistema de tierra enterrado, 2 ohmios, es aproximadamente el 20% de la resistencia a la radiación, por lo que por debajo de esta altura, más del 20% de la potencia del transmisor se desperdicia en el sistema de tierra.${\estilo de visualización \lambda}$${\estilo de visualización \lambda}$

Un segundo problema con los mástiles eléctricamente cortos es que la reactancia capacitiva del mástil es alta, lo que requiere una gran bobina de carga en el sintonizador de antena para desactivarla y hacer que el mástil resuene. La alta reactancia frente a la baja resistencia le da a la antena un factor Q alto ; la antena y la bobina actúan como un circuito sintonizado de alto Q, lo que reduce el ancho de banda utilizable de la antena.

En frecuencias más bajas, los radiadores de mástil se reemplazan por antenas de carga superior capacitiva más elaboradas, como la antena T o la antena paraguas , que pueden tener una mayor eficiencia.

En circunstancias en las que se deben utilizar mástiles cortos, a veces se añade una carga superior capacitiva (también conocida como sombrero de copa o sombrero de capacitancia ) en la parte superior del mástil para aumentar la potencia radiada. ^{[13] [14]} Se trata de una pantalla redonda de cables horizontales que se extienden radialmente desde la parte superior de la antena. Actúa como una placa de condensador ; la corriente aumentada en el mástil necesaria para cargar y descargar la capacitancia de carga superior en cada ciclo de RF aumenta la potencia radiada. 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 capacidad es utilizar secciones del conjunto de cables de sujeción superiores, insertando los aisladores de tensión en la línea de sujeción a poca distancia del mástil. Los sombreros de capacidad están estructuralmente limitados al equivalente de 15-30 grados de altura eléctrica adicional.

En el caso de los radiadores de mástil, la tierra debajo del mástil es parte de la antena; la corriente que se alimenta al mástil pasa a través del aire hacia el suelo debajo de 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 se alimenta de energía entre la parte inferior del mástil y el suelo, por lo que requiere un sistema de conexión a tierra (puesta a tierra) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo para recolectar la corriente de retorno. Un lado de la línea de alimentación de la casa de la hélice está conectado al mástil y el otro lado 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 lograr 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 de tierra viajan radialmente hacia el punto de tierra desde todas las direcciones, el sistema de conexión 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 cable de tierra en un terminal junto a la base. ^[16]

La potencia del transmisor perdida en la resistencia del suelo, y por lo tanto la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esto varía ampliamente; los terrenos pantanosos o los estanques, particularmente los de agua salada, proporcionan la resistencia de tierra más baja. La densidad de corriente de RF en la tierra, y por lo tanto la pérdida de potencia por metro cuadrado, aumenta cuanto más nos acercamos al terminal de tierra en la base del mástil, ^[16] por lo que se puede pensar en el sistema de tierra radial como el reemplazo del suelo con un medio de mayor conductividad, el cobre, en las partes del suelo que transportan alta densidad de corriente, para reducir las pérdidas de potencia.

Un sistema de conexión a tierra estándar ampliamente utilizado y aceptable para la Comisión Federal de Comunicaciones de los EE. UU . (FCC) es de 120 cables de conexión a tierra radiales espaciados de manera uniforme que se extienden un cuarto de longitud de onda (0,25 , 90 grados eléctricos) desde el mástil. ^{[16] [15]} Normalmente se utiliza un cable de cobre trefilado de calibre n.º 10, enterrado a una profundidad de 10 a 25 cm (4 a 10 pulgadas). ^[16] Para los mástiles de banda de transmisión AM , esto requiere un área de tierra circular que se extiende desde el mástil de 47 a 136 m (154 a 446 pies). Por lo general, se planta césped, que se mantiene corto ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de potencia en determinadas circunstancias. Si el área de tierra alrededor del mástil es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos se pueden reemplazar por una mayor cantidad de radiales más cortos. El soporte de metal debajo del aislador del mástil está unido al sistema de conexión a tierra con correas metálicas conductoras para que no aparezca voltaje a través de la plataforma de concreto que sostiene el mástil, ya que el concreto tiene malas cualidades dieléctricas.${\estilo de visualización \lambda}$

En el caso de los mástiles que alcanzan una altura de media longitud de onda (180 grados eléctricos), el mástil tiene un máximo de voltaje ( antinodo ) cerca de su base, lo que genera fuertes campos eléctricos en la tierra por encima de los cables de tierra cerca del mástil, donde la corriente de desplazamiento ingresa al suelo. Esto puede causar pérdidas de potencia dieléctrica significativas en la tierra. Para reducir esta pérdida, estas antenas a menudo utilizan una pantalla de tierra de cobre conductora alrededor del mástil conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea que se encuentren en el suelo o elevados unos pocos pies, para proteger el suelo del campo eléctrico. Otra solución es aumentar la cantidad de cables de tierra cerca del mástil y enterrarlos muy superficialmente en una capa superficial de pavimento asfáltico , que tiene bajas pérdidas dieléctricas.

Los radiadores de mástil alimentados por la base tienen un alto voltaje en la base del mástil, que puede provocar una descarga eléctrica peligrosa a una persona que esté en contacto con el suelo. El potencial en el mástil suele ser de varios miles de voltios con respecto al suelo. Los códigos eléctricos exigen que este tipo de equipos de alto voltaje expuestos estén cercados y alejados del público, por lo que el mástil y la caseta de sintonización de la antena están rodeados por una cerca cerrada. Por lo general, se utiliza una cerca de alambre de cadena , pero a veces se utilizan cercas de madera para evitar que las corrientes inducidas en una cerca metálica distorsionen el patrón de radiación de la antena. Un diseño alternativo es montar el mástil en la parte superior de la caseta de sintonización de la antena, fuera del alcance del público, eliminando así la necesidad de una cerca.

Los mástiles de antena son lo suficientemente altos como para ser un peligro para las aeronaves. Las regulaciones de aviación requieren que los mástiles estén pintados con franjas alternas de pintura naranja y blanca internacional , y que tengan luces de advertencia para aeronaves a lo largo de su longitud, para que sean más visibles para las aeronaves. Las regulaciones requieren luces intermitentes en la parte superior y (dependiendo de la altura) en varios puntos a lo largo de la longitud de la torre. El alto voltaje de radiofrecuencia en el mástil plantea un problema para alimentar las luces de advertencia: el cable de alimentación que baja por el mástil desde las luces para conectarse a la línea de alimentación principal está en el alto potencial de RF del mástil. ^{[17] [3]} Sin equipo de protección, conduciría corriente de radiofrecuencia (RF) a la tierra del cableado de alimentación de CA, provocando un cortocircuito en el mástil. Para evitar esto, se instala un aislador protector en el cable de alimentación de iluminación en la base del mástil que bloquea la corriente de RF mientras permite que la energía 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 : 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 espacio de aire, lo suficientemente ancho como para que el alto voltaje en la antena no pueda saltar a través de él. ^[3] Consiste en un núcleo de hierro toroidal en forma de anillo con el devanado primario envuelto alrededor de él, montado en un soporte que se extiende desde la base de hormigón debajo del aislador de la antena, conectado a la fuente de energía 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 espacio de aire entre los dos. El campo magnético creado por el devanado primario induce corriente en el devanado secundario sin la necesidad de una conexión directa entre ellos.
• Choke – esto consiste en un inductor , una bobina de alambre fino enrollada alrededor de una forma cilíndrica. ^[3] La impedancia (resistencia a la corriente CA) de un inductor aumenta con la frecuencia de la corriente. El estrangulador de aislamiento es un filtro de paso bajo , está construido para tener una alta impedancia en frecuencias de radio que evita que la corriente de RF pase, pero una impedancia insignificante en la frecuencia de red más baja de 50/60 Hz, por lo que la energía CA puede pasar a las luces. Se inserta un estrangulador en cada una de las 3 líneas (caliente, neutro, tierra de seguridad) que forman el cable de alimentación. El extremo de bajo voltaje de cada estrangulador se deriva a través de un condensador a tierra, por lo que el alto voltaje inducido en el extremo de bajo voltaje por acoplamiento capacitivo a través de la capacitancia entre devanados del estrangulador se conduce a tierra.
• Circuito resonante en paralelo (trampa) : consiste en un inductor y un capacitor conectados en paralelo en la línea eléctrica. Los valores de la inductancia y la capacitancia se eligen de modo que la frecuencia resonante del circuito sea la frecuencia de operación de la antena. Un circuito resonante en paralelo tiene una impedancia muy alta (miles de ohmios) en su frecuencia resonante, por lo que bloquea la corriente de RF, pero una impedancia baja en todas las demás frecuencias, lo que permite el paso de la corriente alterna de iluminación. Este circuito solo bloquea la frecuencia específica a la que está sintonizado, por lo que si se cambia la frecuencia del transmisor de radio, se debe ajustar la trampa.

En su base, el mástil debe tener un pararrayos que consiste en un espacio de chispas en forma de bola o cuerno entre el mástil y el terminal de tierra, de modo que la corriente de un rayo que caiga sobre el mástil sea conducida a tierra. ^[3] El conductor del pararrayos debe ir directamente a una estaca de tierra de metal por el camino más corto. La parte superior del mástil debe tener un pararrayos para proteger la luz de advertencia superior de la aeronave. ^[3] El mástil también debe tener una ruta de CC a tierra, de modo que las cargas eléctricas estáticas en el mástil puedan drenar. ^[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 presente en el mástil cuando el personal esté trabajando en él.

Un mástil de radio alto es una estructura conveniente para montar 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 coubicadas . Los tipos de antena que a menudo se montan en radiadores de mástil son: antenas de látigo de fibra de vidrio para sistemas de radio móviles terrestres para servicios de taxi y entrega, antenas parabólicas para enlaces de retransmisión de microondas que transportan telecomunicaciones comerciales y datos de Internet, antenas de transmisión de radio FM que consisten en bahías colineales de elementos dipolares trenzados y antenas de estación base celular .

Mientras las antenas colocadas no funcionen a frecuencias cercanas a la frecuencia de transmisión del mástil, normalmente es posible aislarlas eléctricamente del voltaje del mástil. Las líneas de transmisión que alimentan las antenas colocadas con energía de RF plantean el mismo problema que las líneas eléctricas de iluminación de las aeronaves: tienen que pasar por la torre y atravesar el aislador de la base y conectarse a equipos de bajo voltaje, por lo que sin dispositivos de aislamiento, transportarán el alto voltaje del mástil y pueden provocar un cortocircuito entre el mástil y la tierra. Las líneas de transmisión están aisladas por inductores de filtro de paso bajo que consisten en hélices de cable coaxial enrolladas en una forma no conductora. ^[17]

La antena vertical o monopolar fue inventada y patentada por el empresario de radio Guglielmo Marconi en 1896 durante su desarrollo de los primeros transmisores y receptores de radio prácticos . Inicialmente utilizó antenas dipolares horizontales inventadas por Heinrich Hertz , pero no pudo comunicarse más allá de unos pocos kilómetros. Descubrió mediante un experimento que si conectaba un terminal de su transmisor y receptor a un cable vertical suspendido en lo alto y el otro terminal a una placa de metal enterrada en la Tierra, podría transmitir a distancias más largas. Las antenas de Marconi, así como la mayoría de las otras antenas verticales hasta la década de 1920, se construyeron 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 antes de 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 a la radiación de 5 a 30 ohmios. ^[9] Por lo tanto, la mayoría de los transmisores usaban antenas de carga superior capacitiva como la antena de paraguas o la antena L y T invertida para aumentar la potencia radiada. Durante esta era, el funcionamiento de las antenas se entendía poco y los diseños se basaban en prueba y error y reglas empíricas medio entendidas.

El comienzo de la transmisión de radio AM en 1920 y la asignación de frecuencias de onda media a las estaciones de transmisión provocaron un aumento en el interés en las antenas de onda media. La antena plana o en T se utilizó como la antena de transmisión principal 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 terrestre y las corrientes parásitas en los mástiles distorsionaban el patrón de radiación. Dos artículos históricos publicados en 1924 por Stuart Ballantine condujeron al desarrollo del radiador de mástil. ^[9] Uno de ellos derivó la resistencia de radiación de una antena monopolar vertical sobre un plano de tierra. ^[18] Encontró 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 que era mucho mayor que la resistencia de tierra, lo que reducía 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 energía radiada horizontalmente en ondas terrestres alcanzaba un máximo a una altura de mástil de 0,625 (225 grados eléctricos). ^[19]${\estilo de visualización \lambda}$

En 1930, las desventajas de la antena T llevaron a las emisoras a adoptar la antena de radiador de mástil. ^[9] Uno de los primeros tipos utilizados fue el 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 tensores, 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 primer 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 era.

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. En la década de 1940, la industria de la radiodifusión AM había abandonado el diseño Blaw-Knox por el mástil de celosía de sección transversal uniforme y estrecha que se usa hoy en día, que tenía un mejor patrón de radiación. Se descubrió que reducir la altura del mástil monopolar de 225 grados eléctricos a 190 grados podría eliminar las ondas de radio de alto ángulo que causaban el desvanecimiento. Los mástiles seccionales también se desarrollaron en esta era.

• Mástiles y torres de radio
• Mástil atirantado

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