마스트 라디에이터

마스트 라디에이터(영어: Mast radiator, 또는 복사 타워(영어: radiating tower))는 금속 구조물 자체가 에너지를 받아 안테나로 작동하는 라디오 마스트 또는 타워이다. 1930년대에 처음 널리 사용된 이 설계는 송신기 안테나, 특히 AM 라디오 방송국에서 사용하는 장파 및 중주파 대역의 낮은 진동수에서 작동하는 안테나에 일반적으로 사용된다. 전도성 강철 마스트는 송신기에 전기적으로 연결된다. 그 베이스는 일반적으로 지면으로부터 절연하기 위해 비전도성 지지대에 설치된다. 마스트 라디에이터는 모노폴 안테나의 한 형태이다.

미국 노스캐롤라이나주 채플힐에 위치한 AM 라디오 방송국의 전형적인 마스트 라디에이터와 안테나 튜닝 오두막.

구조 설계

미국 워싱턴주 마운트버넌에 있는 AM 라디오 방송국의 전형적인 60-미터 (200 ft) 삼각 가이 철탑

스위스 베로뮌스터에 있는 독립형 타워 안테나인 블로센베르크 타워

대부분의 마스트 라디에이터는 가이 마스트로 건설된다.^[1][2] 삼각 단면을 가진 강철 격자 마스트가 가장 일반적인 유형이다. 사각 격자 마스트와 관형 마스트도 때때로 사용된다. 타워가 연속적인 도체임을 보장하기 위해 타워의 구조 섹션은 각 측면에 납땜된 짧은 구리 점퍼나 맞물림 플랜지 전체에 아크 용접으로 전기적으로 접합된다.

마스트가 단일 도체로 작동하도록 하기 위해 마스트의 분리된 구조 섹션은 구리 점퍼로 전기적으로 연결된다.

가장 일반적인 유형인 베이스 공급 마스트는 지면으로부터 절연되어야 한다. 베이스에서 마스트는 일반적으로 두꺼운 세라믹 절연체 위에 설치된다. 이 절연체는 타워의 무게를 지탱할 수 있는 압축 강도와 송신기가 가하는 높은 전압을 견딜 수 있는 절연 내력을 가지고 있다. 안테나를 구동하는 RF 전력은 일반적으로 마스트 바닥 근처의 안테나 튜닝 오두막에 있는 임피던스 매칭 네트워크를 통해 공급되며, 전류를 공급하는 케이블은 단순히 타워에 볼트로 조이거나 납땜된다. 실제 송신기는 일반적으로 별도의 건물에 위치하며, 전송선로를 통해 튜닝 오두막에 RF 전력을 공급한다.

마스트를 똑바로 세우기 위해 보통 120° 각도로 3개씩 묶인 가이 와이어가 부착되어 있으며, 일반적으로 콘크리트 앙카로 지면에 고정된다. 여러 세트의 가이 와이어(2개에서 5개)가 다른 높이에 사용되어 타워가 좌굴에 대해 견고하도록 한다. 가이 라인에는 스트레인 절연체가 삽입되어 있으며, 보통 마스트에 연결되는 상단 근처에 위치하여 전도성 케이블을 마스트로부터 절연하고 타워의 고전압이 지면에 도달하는 것을 방지한다.

마스트로부터 절연되어 있음에도 불구하고 전도성 가이 케이블은 전기적으로 공명 안테나(기생 소자)로 작용하여 마스트로부터 무선파를 흡수하고 재방사하여 안테나의 방사 패턴을 방해할 수 있다. 이를 방지하기 위해 가이 케이블에 일정한 간격으로 추가적인 스트레인 절연체를 삽입하여 선을 비공명 길이로 나눈다. 일반적으로 세그먼트는 최대 파장의 8분의 1에서 10분의 1(${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{8}}\lambda \sim {\tfrac {1}{\ 10\ }}\lambda \ }$)로 제한해야 한다.^[3]

마스트 라디에이터는 안정성을 위해 바닥이 넓고 가늘고 긴 마스트로 좁아지는 독립형 격자탑으로도 건설될 수 있다.^[4] 이 건설의 장점은 가이 라인이 필요 없어서 필요한 토지 면적을 줄일 수 있다는 것이다. 이 타워는 삼각 또는 사각 단면을 가질 수 있으며, 각 다리는 절연체 위에 지지된다. 단점은 타워의 넓은 베이스가 타워의 수직 전류 패턴을 왜곡하여 방사 저항을 감소시키고 결과적으로 복사 전력을 감소시키므로 가이 마스트가 선호된다는 것이다.

한 국가의 국립 라디오 부처는 일반적으로 구조 설계에 대한 지역 건축법규 외에도 라디오 마스트의 설계 및 운영에 대한 규제 권한을 갖는다. 미국에서는 이것이 FCC이다. 마스트 건설 계획은 건설 전에 규제 기관의 승인을 받아야 한다.

전기 설계

베이스 피드: 무선주파수 전력은 오른쪽에 있는 "안테나 튜닝 오두막" 내부의 매칭 네트워크에서 나오는 와이어로 마스트에 공급된다. 베이스의 갈색 세라믹 절연체는 마스트를 지면으로부터 전기적으로 절연 상태로 유지한다. 왼쪽에는 접지 스위치와 낙뢰 보호를 위한 스파크 갭이 있다.

가이 라인에는 마스트의 고전압이 지면에 도달하는 것을 방지하고 라인을 비-전기 공진 길이의 세그먼트로 나누기 위해 달걀 모양의 스트레인 절연체가 삽입된다.

단일 마스트 라디에이터는 모든 수평 방향으로 동일한 무선파 전력을 방사하는 무지향성 안테나이다.^[4] 마스트 라디에이터는 수직 편파 무선파를 방사하며, 대부분의 전력은 낮은 앙각으로 방출된다. 중주파 (MF) 및 장파 (LF) 대역에서 AM 라디오 방송국은 지면 표면 가까이를 이동하며 지형 윤곽을 따르는 수직 편파 무선파인 지면파를 사용하여 청취 영역을 커버한다.^[4] 마스트 라디에이터는 우수한 지면파 안테나이며, AM 라디오 방송국 및 MF 및 LF 대역의 기타 라디오 서비스에서 사용되는 주요 송신 안테나 유형이다. 또한 공중파 (스킵) 무선 전송을 위해 더 높은 앙각으로 충분한 전력을 방사할 수 있다.

대부분의 라디오 방송국은 단일 마스트를 사용한다. 서로 다른 위상으로 무선 전류를 공급받는 여러 마스트를 사용하여 지향성 안테나를 구성할 수 있으며, 이는 특정 방향으로 다른 방향보다 더 많은 전력을 방사한다.

공급 시스템

무선주파수 전류를 생성하는 송신기는 종종 마스트에서 약간 떨어진 건물에 위치하여, 민감한 전자 장비와 운영 요원이 마스트 바닥의 강한 무선파에 노출되지 않도록 한다. 또는 때때로 마스트 바닥에 위치하며, 송신기실은 무선파를 차단하기 위해 구리 스크린으로 된 패러데이 차폐로 둘러싸여 있다. 송신기에서 나오는 전류는 급전선, 즉 무선주파수 전류를 전달하기 위한 특수 케이블(전송선로)을 통해 마스트로 전달된다. LF 및 MF 주파수에서는 일반적으로 폼 절연 동축 케이블이 사용된다. 급전선은 마스트 바닥에 있는 안테나 튜닝 장치 (임피던스 매칭 네트워크)에 연결되어 전송선을 마스트에 맞춘다.^[5] 이것은 방수 상자나 마스트 옆의 안테나 튜닝 오두막 (헬릭스 하우스)이라는 작은 창고에 있을 수 있다. 안테나 튜닝 회로는 급전선의 특성 임피던스를 안테나의 임피던스(아래 그래프 참조)에 매칭하고, 안테나의 반응저항을 조절하여 작동 주파수에서 공명하도록 하는 로딩 코일과 같은 반응저항을 포함한다. 안테나 튜너가 없으면 안테나와 급전선 사이의 임피던스 불일치로 인해 정상파 (높은 정재파비) 상태가 발생하여 무선 전력의 일부가 급전선을 따라 송신기로 반사되어 비효율을 초래하고 송신기가 과열될 수 있다. 안테나 튜너에서 짧은 급전선이 마스트에 볼트로 조여지거나 납땜된다.

안테나 튜너에서 나오는 급전선의 다른 쪽은 접지되어 있으며, 마스트 바닥 근처의 터미널에서 바깥쪽으로 방사되는 많은 나선형 와이어로 구성된 방사형 접지 시스템에 연결되어 있다.

마스트 라디에이터를 공급하는 몇 가지 방법이 있다:^[6]

• 직렬 여자(베이스 공급): 마스트는 절연체 위에 지지되며 바닥에서 공급된다. 헬릭스 하우스에서 나오는 급전선의 한쪽은 마스트 바닥에 연결되고 다른 쪽은 마스트 아래의 접지 시스템에 연결된다. 이것은 대부분의 AM 라디오 방송국 마스트에 사용되는 가장 일반적인 공급 유형이다.^[4][6]
• 션트 여자: 마스트의 바닥은 접지되어 있고, 급전선의 한쪽은 마스트 중간에 연결되고 다른 쪽은 마스트 아래의 접지 시스템에 연결된다.^[6] 마스트의 임피던스는 길이에 따라 증가하므로, 올바른 연결 높이를 선택하여 안테나를 급전선에 임피던스 매칭할 수 있다. 이것은 마스트를 지면으로부터 절연할 필요성을 피하고, 항공기 조명 전력선에 절연체가 필요 없으며, 마스트 바닥의 고전압으로 인한 감전 위험을 제거한다.
• 폴디드 유니폴 안테나: 이것은 위에서 언급한 션트 공급의 변형으로 간주될 수 있다. 안테나 마스트는 접지되어 있고, 와이어로 된 관형 "스커트"가 안테나 상단에 부착되어 마스트와 평행하게 아래로 늘어져 지면 수준까지 내려와서 공급된다. 단일 타워보다 더 넓은 대역폭을 가진다.
• 구획화: "페이딩 방지 안테나"라고도 알려진 이 마스트는 두 개의 수직 스택형 안테나를 만들기 위해 그 사이에 절연체를 두고 두 섹션으로 나뉘어 위상으로 공급된다.^[6] 이 콜리니어 안테나 어레이 배열은 낮은 각도(지면파) 복사를 강화하고 높은 각도(공중파) 복사를 감소시킨다. 이는 야간에 지면파와 공중파가 유사한 강도를 가지는 머쉬 영역까지의 거리를 증가시킨다.

정부 규정은 일반적으로 안테나에 공급되는 전력을 안테나 베이스에서 모니터링하도록 요구하므로, 안테나 튜닝 오두막에는 측정값을 송신기 제어실로 다시 보내는 안테나 전류 샘플링 회로도 포함된다.^[7] 오두막에는 또한 일반적으로 항공기 경고등용 전원 공급 장치가 포함되어 있다.

마스트 높이 및 방사 패턴

지면에 설치된 높이가 다른 3가지 모노폴 마스트 라디에이터 안테나의 측정된 수직 방사 패턴. 주어진 앙각에서 원점으로부터의 선 거리는 해당 각도에서 방사되는 전력 밀도에 비례한다. 주어진 전력 입력에 대해 수평 방향으로 방사되는 전력은 쿼터파 모노폴 (0.25λ, 파란색)에서 반파 모노폴 (0.5λ, 녹색)을 거쳐 0.625λ (빨간색) 길이에서 최대치에 도달할 때까지 높이에 따라 증가한다.

전형적인 베이스 급전 마스트 라디에이터의 높이에 따른 측정된 베이스 저항(R) 및 반응저항(X) 그래프

마스트 라디에이터의 이상적인 높이는 송신 진동수 ${\displaystyle f}$, 청취 지역의 지리적 분포 및 지형에 따라 달라진다. 구획화되지 않은 마스트 라디에이터는 모노폴 안테나이며, 다른 앙각에서 방사하는 전력의 양을 나타내는 수직 방사 패턴은 파장 ${\displaystyle \lambda =c/f}$에 대한 높이 ${\displaystyle h}$의 비율에 의해 결정된다. 여기서 ${\displaystyle \lambda }$는 빛의 속도 ${\displaystyle c}$를 진동수 ${\displaystyle f}$로 나눈 값과 같다. 마스트의 높이는 보통 파장의 분수 또는 "전기적 각도"로 지정된다.

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

여기서 각도는 ${\displaystyle \lambda /360}$ 미터와 같다. 마스트의 전류 분포는 방사 패턴을 결정한다. 무선주파수 전류는 마스트를 따라 위로 흐르고 상단에서 반사되며, 직접 전류와 반사 전류가 간섭하여 마스트에 대략 사인파 정상파를 형성한다. 이 정상파는 상단에 마디 (전류가 0인 지점)가 있고 4분의 1 파장 아래에 최대점이 있다.^[6][8]

${\displaystyle i(y)=I_{\text{max}}\sin(G-y)}$

여기서 ${\displaystyle i(y)}$는 지면 위 ${\displaystyle y}$ 전기적 각도 높이에서의 전류이고, ${\displaystyle I_{\text{max}}}$는 최대 전류이다. 4분의 1 파장의 배수보다 약간 낮은 높이에서 ${\displaystyle {1 \over 4}\lambda ,{1 \over 2}\lambda ,{3 \over 4}\lambda }$ ...(G = 90°, 180°, 270°...) 마스트는 공명한다. 이 높이에서 안테나는 급전선에 순수한 전기저항을 제공하여 급전선을 안테나에 임피던스 매칭하는 것을 단순화한다. 다른 길이에서는 안테나가 정전 용량 반응 또는 유도 용량 반응을 가진다. 그러나 이러한 길이의 마스트는 헬릭스 하우스의 매칭 네트워크에서 안테나의 반응저항을 공액 반응저항으로 상쇄하여 효율적으로 공급될 수 있다. 마스트의 유한한 두께, 저항 및 기타 요인으로 인해 마스트의 실제 안테나 전류는 위에서 가정한 이상적인 사인파와 크게 다르며, 그래프에서 보듯이 전형적인 타워의 공명 길이는 80°, 140°, 240°에 가깝다.

지면파는 안테나에서 지면 바로 위를 수평으로 전파하므로, 대부분의 마스트 설계 목표는 수평 방향으로 최대 전력을 방사하는 것이다.^[9] 이상적인 모노폴 안테나는 225 전기적 각도, 즉 약 파장의 ⁠5/8⁠ 또는 0.625 (이는 일반적인 유한 두께 마스트에 유효한 근사치이며, 무한히 얇은 마스트의 경우 최대값은 ${\displaystyle 2\lambda /\pi }$ = 0.637${\displaystyle \lambda }$^[6]에서 발생한다) 높이에서 수평 방향으로 최대 전력을 방사한다. 다이어그램에서 보듯이, 반 파장 (180 전기적 각도) 미만의 높이에서는 안테나의 방사 패턴이 수평 방향으로 최대값을 갖는 단일 주엽을 갖는다. 반 파장 이상의 높이에서는 패턴이 분할되어 약 60° 각도로 하늘을 향하는 두 번째 엽을 갖는다. 0.625${\displaystyle \lambda }$에서 수평 복사가 최대인 이유는 반 파장보다 약간 높은 높이에서 두 엽의 반대 위상 복사가 높은 앙각에서 파괴적으로 간섭하고 상쇄되어 대부분의 전력이 수평 방향으로 방출되기 때문이다.^[6] 0.625${\displaystyle \lambda }$를 초과하는 높이는 일반적으로 사용되지 않는데, 이 이상에서는 두 번째 엽에서 하늘로 낭비되는 전력이 증가하여 수평 방향으로 방사되는 전력이 급격히 감소하기 때문이다.^[4]

중파 AM 방송 대역 마스트의 경우 0.625${\displaystyle \lambda }$는 117–341 m (384–1,119 피트)의 높이가 되며, 장파 마스트의 경우 더 높다. 이러한 높은 마스트의 높은 건설 비용 때문에 종종 더 짧은 마스트가 사용된다.

위에서 언급한 내용은 완벽하게 전도되는 지면 위의 완벽하게 전도되는 마스트의 방사 패턴을 나타낸다. 지면의 어느 지점에서든 수신되는 실제 신호 강도는 두 가지 요인, 즉 해당 방향으로 안테나에서 방사되는 전력과 지면 전도도에 따라 달라지는 송신 안테나와 수신기 사이의 경로 감쇠에 의해 결정된다.^[10] 실제 라디오 마스트의 설계 과정은 일반적으로 토양 전도도 조사를 수행한 다음, 안테나 시뮬레이션 컴퓨터 프로그램을 사용하여 실제 지형 위에 실제 상업적으로 사용 가능한 마스트에 의해 생성되는 신호 강도 지도를 계산하는 것을 포함한다. 이것은 청중 인구 분포와 비교하여 최상의 설계를 찾는다.^[10]

페이딩 방지 설계

높이에 영향을 미치는 두 번째 설계 목표는 수신 지역에서 다중경로 페이딩을 줄이는 것이다.^[9] 하늘로 일정한 각도로 방사된 전파 에너지 중 일부는 전리층의 전하를 띤 입자층에 반사되어 수신 지역으로 지구로 돌아온다. 이를 공중파라고 한다. 안테나에서 특정 거리에서 이 무선파는 지면파와 위상 이탈되어, 두 무선파가 파괴적으로 간섭하여 서로 부분적으로 또는 완전히 상쇄되어 신호 강도를 감소시킨다. 이를 페이딩이라고 한다. 전리층 반사가 가장 강한 밤에는 안테나 주위에 수신이 불충분할 수 있는 낮은 신호 강도의 환형 영역이 발생하며, 때로는 "침묵 지대", 페이딩 벽 또는 머쉬 영역이라고 불린다. 그러나 다중경로 페이딩은 공중파의 신호 강도가 지면파의 약 50%(3dB) 이내일 때만 중요해진다. 모노폴의 높이를 약간 줄임으로써 두 번째 엽에서 방사되는 전력을 다중경로 페이딩을 제거할 만큼 충분히 줄일 수 있으며, 수평 이득은 약간만 감소한다.^[6] 최적 높이는 약 190 전기적 각도 또는 0.53${\displaystyle \lambda }$이므로, 이것은 마스트의 또 다른 일반적인 높이이다.^[6]

구획화된 마스트

페이딩 방지 성능이 향상된 마스트 유형은 구획화된 마스트이며, 페이딩 방지 마스트라고도 불린다.^[11][12] 구획화된 마스트에서는 수직 지지 부재의 절연체가 마스트를 두 개의 수직으로 쌓인 전도성 섹션으로 나누며, 이 섹션들은 별도의 급전선에 의해 동위상으로 공급된다. 이는 수평 방향으로 방사되는 전력의 비율을 증가시키고, 마스트가 과도한 높은 각도 복사 없이 0.625${\displaystyle \lambda }$보다 높을 수 있도록 한다. 120도 위에 120도, 180도 위에 120도, 180도 위에 180도의 높이를 가진 실제 구획화 마스트가 좋은 결과와 함께 현재 운영 중이다.

전기적으로 짧은 마스트

마스트 라디에이터를 사용할 수 있는 주파수의 하한은 1/4 파장보다 짧은 마스트의 효율이 점점 낮아지기 때문에 장파 대역에 있다.

주파수가 감소하면 파장이 증가하여 주어진 파장 비율을 만들기 위해 더 높은 안테나가 필요하다. 건설 비용과 필요한 토지 면적은 높이에 따라 증가하여 마스트 높이에 실질적인 한계를 둔다. 300 m (980 피트) 이상의 마스트는 엄청나게 비싸고 거의 건설되지 않았다. 세계에서 가장 높은 마스트는 약 600 m (2,000 피트)이다. 일부 지역의 또 다른 제약은 구조물에 대한 높이 제한이다. 공항 근처에서는 항공 당국이 마스트의 최대 높이를 제한할 수 있다. 이러한 제약으로 인해 종종 이상적인 높이보다 짧은 마스트를 사용해야 한다.

파장의 4분의 1(0.25${\displaystyle \lambda }$, 90 전기적 각도)의 기본 공명 길이보다 훨씬 짧은 안테나를 전기적으로 짧은 안테나라고 한다. 전기적으로 짧은 안테나는 효율적인 방사체이다. 짧은 안테나의 안테나 이득은 4분의 1 파장 안테나의 이득과 매우 가깝다. 그러나 낮은 방사 저항으로 인해 효율적으로 구동될 수 없다.^[6] 무선파로 방사되는 전력을 나타내는 방사 저항은 4분의 1 파장에서 약 25–37 옴이며, 4분의 1 파장 미만에서는 마스트 높이와 파장 비율의 제곱에 비례하여 감소한다. 안테나 시스템의 다른 전기저항인 마스트의 옴 저항과 매립된 접지 시스템은 방사 저항과 직렬로 연결되어 있으며, 송신기 전력은 이들 사이에 비례하여 분배된다. 방사 저항이 감소함에 따라 송신기 전력의 더 많은 부분이 이러한 저항에서 열로 소산되어 안테나의 효율을 감소시킨다. 0.17${\displaystyle \lambda }$ (60 전기적 각도)보다 짧은 마스트는 거의 사용되지 않는다. 이 높이에서 방사 저항은 약 10 옴이므로, 일반적인 매립 접지 시스템의 저항인 2 옴은 방사 저항의 약 20%에 해당하며, 이 높이 미만에서는 송신기 전력의 20% 이상이 접지 시스템에서 낭비된다.

전기적으로 짧은 마스트의 두 번째 문제는 마스트의 정전 용량 반응이 높아, 이를 상쇄하고 마스트를 공명하게 만들기 위해 안테나 튜너에 큰 로딩 코일이 필요하다는 것이다. 높은 반응저항 대 낮은 저항은 안테나에 높은 Q 인자를 부여한다. 안테나와 코일은 높은 Q 동조 회로로 작동하여 안테나의 사용 가능한 대역폭을 감소시킨다.

더 낮은 주파수에서는 마스트 라디에이터가 더 효율적인 T-안테나나 우산 안테나와 같은 더 정교한 정전 용량 탑재 안테나로 대체된다.

정전 용량 상부 부하

오스트레일리아 햄슬리에 있는 AM 라디오 타워 마스트의 정전 용량 "탑 햇"

짧은 마스트를 사용해야 하는 경우, 복사 전력을 높이기 위해 마스트 상단에 정전 용량 상부 부하(일명 탑 햇 또는 커패시턴스 햇)를 추가하기도 한다.^[13][14] 이것은 안테나 상단에서 수평으로 뻗어 나온 둥근 스크린 또는 수평 와이어로 된 방사 크라운이다. 이는 축전기 판으로 작동하며, 아래의 지면이 보완적인 판이 된다. 각 RF 주기마다 상부 부하 정전 용량을 충전 및 방전하는 데 필요한 마스트의 전류 증가는 안테나의 수직 부분에서 방사되는 전력을 증가시킨다. 상부 부하가 전기적으로 추가적인 마스트 길이처럼 작동하므로 이를 안테나의 "전기적 확장"이라고 한다. 정전 용량 햇을 구성하는 또 다른 방법은 상단 가이 와이어 세트의 섹션을 사용하여, 가이 라인에 마스트에서 짧은 거리에 스트레인 절연체를 삽입하는 것이다. 단순한 마스트의 경우, 정전 용량 햇은 약 15-30도 상당의 추가 전기적 높이로 구조적으로 제한된다. 우산 안테나는 "햇"에 대한 추가 구조적 지지대를 가짐으로써 이 한계를 초과한다.

접지 시스템

 이 부분의 본문은 접지입니다.

마스트 라디에이터의 경우 마스트 아래의 땅은 안테나의 일부이다. 마스트에 공급되는 전류는 변위 전류 (진동하는 전기장)로 공기를 통해 안테나 아래 땅으로 흐른다.^[15] 땅은 또한 무선파를 반사하는 접지면 역할을 한다. 안테나는 마스트 바닥과 땅 사이에 전력이 공급되므로 귀환 전류를 수집하기 위해 땅과 접촉할 접지 시스템이 안테나 아래에 필요하다. 헬릭스 하우스에서 나오는 급전선의 한쪽은 마스트에 연결되고 다른 쪽은 접지 시스템에 연결된다. 접지 시스템은 안테나와 직렬로 연결되어 전체 안테나 전류를 전달하므로 효율성을 위해 저항을 2옴 미만으로 낮게 유지해야 하므로 땅에 얕게 묻힌 케이블 네트워크로 구성된다.^[16] 무지향성 안테나의 경우 지구 전류가 모든 방향에서 접지 지점으로 방사형으로 흐르기 때문에 접지 시스템은 일반적으로 마스트 바닥 근처의 터미널에서 접지선에 연결된 마스트 바닥에서 모든 방향으로 뻗어 나가는 방사형 패턴의 매립 케이블로 구성된다.^[16]

접지 저항에서 손실되는 송신기 전력, 즉 안테나의 효율은 토양 전도도에 따라 달라진다. 이는 크게 달라진다. 늪지대나 연못, 특히 염수는 가장 낮은 저항을 제공한다. 땅의 RF 전류 밀도, 즉 제곱미터당 전력 손실은 마스트 바닥의 접지 단자에 가까워질수록 증가하므로,^[16] 방사형 접지 시스템은 높은 전류 밀도를 운반하는 땅 부분의 토양을 더 높은 전도성 매체인 구리로 대체하여 전력 손실을 줄이는 것으로 생각할 수 있다.

미국 FCC에서 허용하는 널리 사용되는 표준 접지 시스템은 마스트에서 1/4 파장(0.25${\displaystyle \lambda }$, 90 전기적 각도)만큼 뻗어나가는 120개의 등간격 방사형 접지선이다.^[16][15] 일반적으로 10번 게이지의 연선 구리선이 10 to 25 cm (4 to 10 인치) 깊이로 묻힌다.^[16] AM 방송 대역 마스트의 경우, 마스트에서 47–136 m (154–446 피트)까지 뻗어나가는 원형 토지 면적이 필요하다. 이 지역은 보통 풀로 덮여 있으며, 특정 상황에서 키 큰 풀이 전력 손실을 증가시킬 수 있으므로 짧게 깎아 관리한다. 마스트 주변의 토지 면적이 너무 제한적이어서 긴 방사형 선을 설치할 수 없는 경우, 많은 경우 더 많은 수의 짧은 방사형 선으로 대체할 수 있다. 마스트 절연체 아래의 금속 지지대는 전도성 금속 스트랩으로 접지 시스템에 연결되어, 콘크리트 패드 위로 전압이 발생하지 않도록 한다. 콘크리트는 유전체 특성이 좋지 않기 때문이다.

약 반 파장 높이(180 전기적 각도)의 마스트의 경우, 마스트는 베이스 근처에 전압 최대값(안티노드)을 가지며, 이는 변위 전류가 땅으로 들어가는 마스트 근처의 접지선 위 땅에 강한 전기장을 초래한다. 이는 땅에서 상당한 유전체 전력 손실을 일으킬 수 있다. 이 손실을 줄이기 위해 이러한 안테나는 종종 마스트 주변에 전도성 구리 접지 스크린을 사용하며, 땅에 놓거나 몇 피트 높여서 매립된 접지선에 연결하여 땅을 전기장으로부터 차폐한다. 또 다른 해결책은 마스트 근처의 접지선 수를 늘리고 아스팔트 콘크리트 포장 표면에 매우 얕게 묻는 것인데, 이는 유전체 손실이 적기 때문이다.

보조 장비

울타리

베이스 급전 마스트 라디에이터는 마스트 바닥에 높은 전압이 발생하여, 접지된 사람이 만질 경우 위험한 감전을 일으킬 수 있다. 마스트의 전위는 일반적으로 지면에 대해 수천 볼트에 이른다. 전기 규정에 따르면 이러한 노출된 고전압 장비는 대중으로부터 울타리로 차단해야 하므로, 마스트와 안테나 튜닝 오두막은 잠긴 울타리로 둘러싸여 있다. 일반적으로 철망 울타리가 사용되지만, 금속 울타리에 유도되는 전류가 안테나의 방사 패턴을 왜곡하는 것을 방지하기 위해 목재 울타리가 사용되기도 한다. 다른 설계로는 마스트를 안테나 튜닝 오두막 위에 설치하여 대중의 손이 닿지 않게 함으로써 울타리 필요성을 없애는 방법이 있다.

항공기 경고등

 이 부분의 본문은 항공기 경고등입니다.

안테나 마스트는 항공기에 위험할 정도로 높다. 항공 규정은 마스트를 국제 주황색과 흰색 페인트를 번갈아 칠하고, 항공기에 더 잘 보이도록 길이 방향으로 항공기 경고등을 설치하도록 요구한다. 규정은 상단에 깜빡이는 불빛을, 그리고 (높이에 따라) 타워 길이의 여러 지점에 깜빡이는 불빛을 요구한다. 마스트의 높은 무선 주파수 전압은 경고등에 전력을 공급하는 데 문제를 야기한다. 등에서 마스트를 따라 내려와 주 전력선에 연결되는 전력 케이블은 마스트의 높은 RF 전위에 노출된다.^[17][3] 보호 장비가 없으면 RF 전류를 AC 전력 배선 접지로 전도하여 마스트를 단락시킬 것이다. 이를 방지하기 위해 마스트 바닥의 조명 전력 케이블에 보호 절연체를 설치한다. 이 절연체는 RF 전류를 차단하면서 낮은 주파수의 50 또는 60 Hz AC 전력이 마스트를 통해 흐르도록 한다. 여러 유형의 절연 장치가 사용되어 왔다.

커니 (뉴저지주)에 있는 WMCA 및 WNYC 송신기 타워 기지의 오스틴 변압기

• 오스틴 변압기 – 이는 이 용도로 특별히 제작된 특수 유형의 절연 변압기로, 변압기의 1차 코일과 2차 코일이 공기 간격으로 분리되어 있어 안테나의 고전압이 넘어갈 수 없을 정도로 충분히 넓다.^[3] 이는 환형 환형 철심에 1차 코일이 감겨 있으며, 안테나 절연체 아래 콘크리트 베이스에서 뻗어 나온 브래킷에 장착되어 조명 전원 공급 장치에 연결된다. 마스트 조명에 전력을 공급하는 2차 코일은 두 개의 사슬 고리처럼 환형 철심을 통과하는 고리 모양 코일로, 둘 사이에 공기 간격이 있다. 1차 코일에 의해 생성된 자기장은 직접 연결 없이 2차 코일에 전류를 유도한다.
• 초크 – 이것은 원통형 형태에 가는 선이 감겨 있는 유도자로 구성된다.^[3] 유도자의 온저항 (AC 전류에 대한 저항)은 전류의 주파수에 따라 증가한다. 절연 초크는 저역 통과 필터로, 무선 주파수에서 높은 임피던스를 갖도록 구성되어 RF 전류가 통과하는 것을 방지하지만, 더 낮은 50/60 Hz 주전원 주파수에서는 무시할 수 있는 임피던스를 가져 AC 전력이 조명으로 통과할 수 있도록 한다. 전력 케이블을 구성하는 3개의 선 (활선, 중성선, 안전 접지선) 각각에 초크가 삽입된다. 각 초크의 저전압 끝은 축전기를 통해 접지되어, 초크의 권선간 정전 용량을 통해 정전 용량 결합에 의해 저전압 끝에 유도되는 고전압이 접지로 전도된다.
• 병렬 공명 회로 (트랩) – 이것은 전력선에 병렬로 연결된 유도자와 축전기로 구성된다. 유도자와 정전 용량 값은 회로의 공명 주파수가 안테나의 작동 주파수가 되도록 선택된다. 병렬 공명 회로는 공명 주파수에서 매우 높은 임피던스(수천 옴)를 가져 RF 전류를 차단하지만, 다른 모든 주파수에서는 낮은 임피던스를 가져 AC 조명 전력을 통과시킨다. 이 회로는 조정된 특정 주파수만 차단하므로, 라디오 송신기의 주파수가 변경되면 트랩을 조정해야 한다.

낙뢰 보호 및 접지 스위치

마스트 바닥에는 마스트와 접지 단자 사이에 볼 또는 혼 스파크 갭으로 구성된 피뢰기가 있어야 한다. 이를 통해 마스트에 낙뢰가 발생했을 때 전류가 접지로 전도된다.^[3] 피뢰기에서 나오는 도체는 가장 짧은 경로로 금속 접지봉으로 직접 연결되어야 한다. 마스트 상단에는 상단 항공기 경고등을 보호하기 위한 피뢰침이 있어야 한다.^[3] 또한 마스트는 DC 경로를 접지로 가져야 하므로 마스트의 정전하가 소산될 수 있다.^[3] 또한 바닥에는 접지 스위치가 있어 유지보수 작업 중에 마스트를 접지 시스템에 연결하여 작업자가 마스트에서 작업할 때 고전압이 존재할 가능성이 없도록 한다.

공동 안테나

높은 라디오 마스트는 다른 무선 안테나를 장착하기에 편리한 구조이므로, 많은 라디오 방송국은 타워의 공간을 다른 라디오 서비스에 안테나용으로 임대한다. 이를 공동 안테나라고 한다. 마스트 라디에이터에 자주 장착되는 안테나 유형은 다음과 같다. 택시 및 배달 서비스를 위한 육상 이동 무선 시스템용 유리섬유 휩 안테나, 상업용 통신 및 인터넷 데이터를 전송하는 마이크로웨이브 중계 링크용 파라볼라 안테나, FM 라디오 방송 안테나로 뒤틀린 다이폴 요소의 콜리니어 베이로 구성된 안테나, 그리고 셀룰러 기지국 안테나이다.

공동 안테나가 마스트의 송신 주파수 근처에서 작동하지 않는 한, 일반적으로 마스트의 전압으로부터 전기적으로 격리하는 것이 가능하다. 공동 안테나에 RF 전력을 공급하는 전송선로는 항공기 조명 전력선과 거의 동일한 문제를 제기한다. 즉, 타워를 따라 내려가서 베이스 절연체를 지나 저전압 장비에 연결해야 하므로, 절연 장치가 없으면 높은 마스트 전압을 전달하고 마스트를 접지로 단락시킬 수 있다. 전송선로는 비전도성 형태로 감긴 동축 케이블 헬릭스로 구성된 저역 통과 필터 유도자에 의해 격리된다.^[17]

역사

1906년 페센든의 130-미터 (420 ft) 관형 마스트 라디에이터

블로-녹스 마스트의 한 예인 라키헤지 타워. 1933년에 건설된 헝가리의 314-미터 (1,030 ft) 마스트이다.

수직 또는 모노폴 안테나는 1896년 라디오 기업가 굴리엘모 마르코니가 최초의 실용적인 라디오 송신기와 수신기를 개발하는 과정에서 발명하고 특허를 받았다. 그는 처음에는 하인리히 루돌프 헤르츠가 발명한 수평 다이폴 안테나를 사용했지만, 몇 마일 이상 통신할 수 없었다. 그는 실험을 통해 송신기 및 수신기의 한 단자를 머리 위에 매달린 수직선에 연결하고 다른 단자를 땅에 묻은 금속판에 연결하면 더 먼 거리로 전송할 수 있다는 것을 발견했다. 마르코니의 안테나와 1920년대까지의 대부분의 다른 수직 안테나는 목재 마스트에 매달린 전선으로 구성되었다.

초기 대형 마스트 라디에이터 중 하나는 레지널드 페센든이 1906년 브랜트 록 (매사추세츠주)에 있는 그의 스파크 갭 송신기를 위해 세운 실험적인 관형 130-미터 (420 ft) 마스트로, 그는 이를 통해 스코틀랜드 마크리하니시에 있는 동일한 안테나와 통신하여 최초의 양방향 대서양 횡단 전송을 성공시켰다. 그러나 1920년 이전의 무선 전신 시대에는 대부분의 장거리 라디오 방송국이 장파 대역에서 전송했기 때문에 라디에이터의 수직 높이가 4분의 1 파장보다 훨씬 짧아 안테나가 전기적으로 짧았고 방사 저항이 5에서 30 옴으로 낮았다.^[9] 따라서 대부분의 송신기는 우산 안테나나 역 L 및 T 안테나와 같은 정전 용량 탑재 안테나를 사용하여 방사 전력을 증가시켰다. 이 시대에는 안테나 작동에 대한 이해가 부족하여 설계가 시행착오와 반만 이해된 경험 법칙에 기반을 두었다.

1920년대 AM 라디오 방송의 시작과 중파 주파수가 방송국에 할당되면서 중파 안테나에 대한 관심이 증가했다. 플랫탑 또는 T-안테나는 1920년대 내내 주요 방송 안테나로 사용되었다.^[9] 이 안테나는 두 개의 마스트가 필요하다는 단점이 있었는데, 이는 단일 마스트 안테나 건설 비용의 두 배였고, 훨씬 더 넓은 토지 면적이 필요했으며, 마스트의 기생 전류가 방사 패턴을 왜곡했다. 1924년 스튜어트 밸런타인이 발표한 두 개의 역사적인 논문은 마스트 라디에이터의 개발로 이어졌다.^[9] 한 논문은 지면 위의 수직 모노폴 안테나의 방사 저항을 도출했다.^[18] 그는 방사 저항이 반 파장 길이에서 최대로 증가한다는 것을 발견했으며, 따라서 그 길이 주변의 마스트는 접지 저항보다 훨씬 높은 입력 저항을 가져 정전 용량 상부 부하의 필요성을 없애고 접지 시스템에서 손실되는 송신기 전력의 비율을 줄였다. 같은 해 두 번째 논문에서 그는 지면파로 수평으로 방사되는 전력의 양이 마스트 높이 0.625${\displaystyle \lambda }$ (225 전기적 각도)에서 최대에 도달한다는 것을 보여주었다.^[19]

1930년경 T 안테나의 단점으로 인해 방송사들은 마스트 라디에이터 안테나를 채택하게 되었다.^[9] 사용된 최초의 유형 중 하나는 다이아몬드 캔틸레버 또는 블로-녹스 타워였다. 이 타워는 다이아몬드(능면체) 모양으로 견고하여 넓은 허리에 한 세트의 가이 라인만 필요했다. 안테나의 뾰족한 하단은 콘크리트 베이스에 볼 조인트 형태의 대형 세라믹 절연체로 끝나 구조물의 굽힘 모멘트를 완화했다. 1931년 WABC 라디오 방송국의 50kW 웨인, 뉴저지 송신기에 최초로 200-미터 (665 ft) 반파 마스트가 설치되었다.^[20][21] 이 시기에 방사형 와이어 접지 시스템도 도입되었다.

1930년대에 방송 업계는 다중경로 페이딩 문제를 인식하게 되었는데, 밤에는 전리층에서 반사된 높은 각도의 파동이 지면파와 간섭하여 안테나에서 특정 거리에 걸쳐 수신 불량 지역인 환형 영역을 유발한다는 것이었다.^[9] 블로-녹스 타워의 다이아몬드 모양이 높은 각도로 방출되는 전력을 증가시키는 불리한 전류 분포를 가지고 있다는 것이 밝혀졌다. 1940년대까지 AM 방송 업계는 블로-녹스 설계를 포기하고 오늘날 사용되는 좁고 균일한 단면 격자 마스트를 채택했는데, 이는 더 나은 방사 패턴을 가지고 있었다. 모노폴 마스트의 높이를 225 전기적 각도에서 190도로 줄이면 페이딩을 유발하는 높은 각도 무선파를 제거할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이 시기에는 구획화된 마스트도 개발되었다.

같이 보기

• 방송탑
• 가이 마스트