マストラジエーター

無線周波数電流を生成する送信機は、多くの場合、マストから少し離れた建物内に設置され、その繊細な電子機器や操作員がマストの基部の強い電波にさらされないようにします。あるいは、送信機はマストの基部に設置され、送信室は電波を遮断する銅製のファラデーシールドで囲まれている場合もあります。送信機からの電流は、無線周波数電流を伝送するための特殊なケーブル（伝送線路）である給電線を通してマストに送られます。LF および MF 周波数では、通常、発泡絶縁同軸ケーブルが使用されます。給電線は、マストの基部にあるアンテナ調整ユニット（インピーダンス整合ネットワーク）に接続され、伝送線路をマストに整合させます。^{[ 5 ]}これは、防水ボックスまたはアンテナ調整小屋（ヘリックスハウス） と呼ばれる小さな小屋の中に、マストの隣に設置されている場合があります。アンテナ同調回路は、給電線の特性インピーダンスをアンテナのインピーダンス（下図参照）に整合させ、動作周波数で共振させるために、通常は負荷コイルであるリアクタンスをアンテナのリアクタンスに合わせて調整します。アンテナチューナーがない場合、アンテナと給電線の間のインピーダンス不整合により、定在波（高SWR）と呼ばれる状態が発生し、無線電力の一部が給電線を介して送信機に向かって反射されるため、効率が低下し、場合によっては送信機が過熱する可能性があります。アンテナチューナーから短い給電線がマストにボルト締めまたはろう付けされます。

アンテナチューナーからの給電線のもう一方の端は接地されており、マストの基部近くの端子から外側に向かって放射状に伸びる、地面に浅く埋められた多数の裸線からなる放射状接地システムに接続されている。

マストラジエーターに電力を供給する方法はいくつかあります。^{[ 6 ]}

• 直列励磁（ベースフィード）：マストは絶縁体で支えられ、底部から給電されます。ヘリックスハウスからの給電線の片側はマストの底部に接続され、もう片側はマストの下の接地システムに接続されます。これは最も一般的な給電方式で、ほとんどのAMラジオ局のマストで使用されています。^{[ 4 ] [ 6 ]}
• シャント励振：マストの底部は接地され、給電線の片側はマストの中ほどに接続され、もう片側はマストの下の接地システムに接続されます。^{[ 6 ]} マストのインピーダンスは長さに沿って増加するため、適切な高さを選択して接続することで、アンテナを給電線にインピーダンス整合させることができます。これにより、マストを接地から絶縁する必要がなくなり、航空機の軽電力線にアイソレータが不要になり、マストの基部での高電圧による感電の危険性がなくなります。
• 折り返し型ユニポールアンテナ：これは、前述のシャント給電方式のバリエーションと考えることができます。アンテナマストは接地され、管状のワイヤー製の「スカート」がアンテナの頂部に取り付けられ、マストと平行に垂れ下がり、マストを囲むように地上まで伸び、そこで給電されます。単一タワーアンテナよりも広い帯域幅を備えています。
• セクション型：別名「アンチフェーディングアンテナ」とも呼ばれ、マストは絶縁体で2つのセクションに分割され、同相給電される2つの垂直アンテナが積み重ねられています。^{[ 6 ]}この同軸配置により、低角度（地表波）放射が強化され、高角度（電離層反射波）放射が低減されます。これにより、夜間に地表波と電離層反射波の強度が同程度になるマッシュエリアまでの距離が長くなります。

政府の規制では通常、アンテナ基部でアンテナに供給される電力を監視することが義務付けられているため、アンテナ調整小屋にはアンテナ電流サンプリング回路も含まれており、その測定値を送信機制御室に送り返します。^{[ 7 ]} また、小屋には通常、航空機の警告灯用の電源も含まれています。

マスト放射器の理想的な高さは、送信周波数によって異なります。${\displaystyle f}$聴取者の地理的分布、地形などによっても左右されます。分割されていないマスト型放射器はモノポールアンテナであり、その垂直放射パターン、つまり異なる仰角で放射される電力の量は、アンテナの高さによって決まります。${\displaystyle h}$波長と比較して${\displaystyle \lambda =c/f}$電波の速度は光速に等しい${\displaystyle c}$周波数で割った値${\displaystyle f}$マストの高さは通常、波長の分数、または「電気度」で指定されます。

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

各次数が等しい${\displaystyle \lambda /360}$メートル。マスト上の電流分布が放射パターンを決定します。無線周波数電流はマストを上昇し、頂上で反射され、直接電流と反射電流が干渉して、頂上に節（電流がゼロの点）があり、1/4波長下に最大値がある、ほぼ正弦波の定常波がマスト上に生成されます^{[ 6 ] [ 8 ]。}

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

どこ${\displaystyle i(y)}$高さでの電流は${\displaystyle y}$地上からの電気度、そして${\displaystyle I_{\text{max}}}$は最大電流です。波長の4分の1の倍数より少し低い高さでは、 ${\displaystyle {1 \over 4}\lambda ,{1 \over 2}\lambda ,{3 \over 4}\lambda }$...(G = 90°、180°、270°...) マストは共振します。これらの高さでは、アンテナは給電線に対して純粋な抵抗を示し、給電線とアンテナのインピーダンス整合が簡素化されます。他の長さでは、アンテナは容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスを持ちます。ただし、これらの長さのマストは、ヘリックスハウス内の整合ネットワークで共役リアクタンスを使用してアンテナのリアクタンスを打ち消すことにより、効率的に給電できます。マストの有限の厚さ、抵抗、およびその他の要因により、マスト上の実際のアンテナ電流は、上記で想定した理想的な正弦波とは大きく異なり、グラフに示すように、典型的なタワーの共振長さは 80°、140°、および 240° に近くなります。

地表波はアンテナから地上すぐ上で水平方向に伝搬するため、ほとんどのマスト設計の目標は水平方向に最大の電力を放射することです。^{[ 9 ]}理想的なモノポールアンテナは、 水平方向に最大電力を放射する高さが電気度225度、つまり波長の約5/8または0.625倍です（これは一般的な有限厚さのマストに有効な近似値です。無限に薄いマストの場合、最大電力は${\displaystyle 2\lambda /\pi }$= 0.637${\displaystyle \lambda }$^{[ 6 ]}）図に示すように、半波長（電気度180度）以下の高さでは、アンテナの放射パターンは水平方向に最大値を持つ単一のローブ。半波長以上の高さでは、パターンは分裂し、約60°の角度で空に向かって伸びる2番目のローブを持ちます。水平方向の放射が0.625で最大になる理由は、${\displaystyle \lambda }$半波長をわずかに超える高度では、2つのローブからの逆位相の放射が干渉し、高仰角で相殺されるため、電力の大部分が水平方向に放出される。^{[ 6 ]} 0.625以上の高度${\displaystyle \lambda }$一般的には使用されないのは、これより上では、第2ローブで空に無駄に放出される電力が増加するため、水平方向に放射される電力が急速に減少するからである。^{[ 4 ]}

中波AM放送帯のアンテナ柱の場合、0.625${\displaystyle \lambda }$高さは117～341メートル（384～1,119フィート）で、長波帯のアンテナマストはさらに高くなる。このような高層アンテナの建設費用が高額になるため、実際にはより低いアンテナマストが用いられることが多い。 

上記は、完全に導電性のマストが、完全に導電性の地面上に設置された場合の放射パターンを示しています。地面上の任意の地点で受信される信号の実際の強度は、その方向にアンテナから放射される電力と、送信アンテナと受信機の間の経路減衰という2つの要因によって決まります。この経路減衰は、地面の導電率に依存します。^{[ 10 ]} 実際の無線マストの設計プロセスでは、通常、土壌の導電率の調査を行い、 アンテナシミュレーションコンピュータプログラムを使用して、実際の地形上で市販されている実際のマストによって生成される信号強度のマップを計算します。これを聴衆の人口分布と比較し、最適な設計を見つけます。^{[ 10 ]}

高さに影響を与える 2 つ目の設計目標は、受信エリアでのマルチパスフェージングを低減することです。 ^{[ 9 ]} 空に向かって斜めに放射された無線エネルギーの一部は、電離層の荷電粒子の層によって反射され、受信エリアで地球に戻ってきます。これはスカイウェーブと呼ばれます。アンテナから一定の距離では、これらの電波は地表波と位相がずれており、2 つの電波が破壊的に干渉し、部分的にまたは完全に互いに打ち消し合い、信号強度が低下します。これはフェージングと呼ばれます。電離層の反射が最も強い夜間には、アンテナの周囲に信号強度が低い環状領域が発生し、受信が不十分になる場合があります。これは、「沈黙のゾーン」、フェージングウォール、またはマッシュエリア と呼ばれることもあります。ただし、マルチパスフェージングは​​、スカイウェーブの信号強度が地表波の約 50% (3 dB) 以内の場合にのみ重要になります。モノポールアンテナの高さをわずかに下げることで、第2ローブで放射される電力を十分に低減し、マルチパスフェージングを解消できる。水平利得の低下はわずかである。^{[ 6 ]} 最適な高さは約190電気度、または0.53である。${\displaystyle \lambda }$ということで、これもマストの一般的な高さです。^{[ 6 ]}

マスト型放射器が使用できる周波数の下限は低周波数帯にあり、これは波長の4分の1よりも短いマストでは効率が低下するためである。

周波数が低くなると波長が長くなるため、一定の波長分数を得るにはより高いアンテナが必要になります。建設コストと必要な土地面積は高さとともに増加するため、マストの高さには実際的な制限があります。300メートル（980フィート）を超えるマストは非常に高価で、建設された例はごくわずかです。世界で最も高いマストは約600メートル（2,000フィート）です。また、地域によっては構造物の高さ制限も制約となります。空港付近では、航空当局がマストの最大高さを制限している場合があります。こうした制約により、理想的な高さよりも低いマストを使用せざるを得ない場合がよくあります。  

アンテナは、基本共振長である波長の4分の1（0.25）よりもかなり短い。${\displaystyle \lambda }$0.17 メートル以下のアンテナは、電気的に短いアンテナと呼ばれます。電気的に短いアンテナは効率的な放射器であり、短いアンテナの利得でさえ、1/4波長アンテナの利得に非常に近い値になります。しかし、放射抵抗が低いため、効率的に駆動することはできません。^{[ 6 ]} アンテナの放射抵抗、つまり電波として放射される電力を表す電気抵抗は、1/4波長では約25～37オームですが、1/4波長以下ではマストの高さと波長の比の2乗に反比例して減少します。アンテナシステムの他の電気抵抗、すなわちマストと埋設された接地システムのオーム抵抗は、放射抵抗と直列に接続されており、送信電力はそれらに比例して分配されます。放射抵抗が減少すると、送信電力のより多くの部分がこれらの抵抗で熱として消費され、アンテナの効率が低下します。0.17 メートル以下のマストは、 ${\displaystyle \lambda }$（60電気度）はめったに使用されません。この高さでは放射抵抗は約10 オームなので、埋設接地システムの典型的な抵抗である2 オームは放射抵抗の約20%に相当し、この高さより下では送信電力の20%以上が接地システムで無駄になります。

電気的に短いマストのもう一つの問題は、マストの容量性リアクタンスが高いことです。そのため、アンテナチューナーに大きな負荷コイルを組み込んで、このリアクタンスを補正し、マストを共振させる必要があります。高いリアクタンスと低い抵抗値により、アンテナのQ値が高くなり、アンテナとコイルが高Q同調回路として機能し、アンテナの有効帯域幅が狭まります。

低周波数帯では、マスト型放射器の代わりに、T型アンテナやアンブレラアンテナのような、より高度な容量性トップローディングアンテナが用いられる。これらのアンテナは、より高い効率を実現できる。

短いマストを使用しなければならない状況では、放射電力を増やすために、マストの頂上に容量性トップロード（トップハットまたは容量ハットとも呼ばれる）が追加されることがあります。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}これは、アンテナの頂上から水平に伸びる水平ワイヤの円形のスクリーンまたは放射クラウンです。これはコンデンサプレートとして機能し、下のグランドが相補プレートになります。各RFサイクルでトップロード容量を充電および放電するために必要なマスト内の電流が増加すると、アンテナの垂直部分の放射電力が増加します。トップロードは電気的にマストの追加の長さのように機能するため、これはアンテナの「電気的延長」と呼ばれます。容量ハットを構築するもう1つの方法は、マストから少し離れたガイラインにストレインインシュレーターを 挿入することによって、トップガイワイヤセットの一部を使用することです。単純なマストの場合、容量ハットは構造的に約15～30度の追加電気高さに相当するものに制限されます。アンブレラアンテナは、「ハット」のための追加の構造サポートにより、この制限を超えます。

マスト型アンテナの場合、マスト下の地面はアンテナの一部です。マストに供給される電流は、変位電流（振動電界）として空気中を通り、アンテナ下の地面に流れます。^{[ 15 ]} 地面は、電波を反射するグランドプレーンとしても機能します。アンテナはマストの底部と地面の間で電力が供給されるため、帰還電流を収集するために、アンテナの下に接地（アース）システムを設置して土壌と接触させる必要があります。ヘリックスハウスからの給電線の一方の端はマストに接続され、もう一方の端は接地システムに接続されます。接地システムはアンテナと直列に接続され、アンテナの全電流を流すため、効率を上げるには抵抗を2オーム未満に低く抑える必要があり、そのため地中に埋設されたケーブルのネットワークで構成されています。^{[ 16 ]} 無指向性アンテナの場合、地電流はあらゆる方向から接地点に向かって放射状に流れるため、接地システムは通常、マストの基部からあらゆる方向に放射状に伸びる埋設ケーブルで構成され、基部の隣にある端子で接地線に接続されます。^{[ 16 ]}

送信機の電力損失は接地抵抗によって生じ、アンテナの効率は土壌の導電率に依存します。これは大きく異なり、湿地や池、特に塩水は抵抗が最も低い接地となります。地中のRF電流密度、つまり1平方メートルあたりの電力損失は、マストの基部にある接地端子に近づくほど増加するため^{[ 16 ]}、放射状接地システムは、電流密度が高い地中の部分で土壌をより高い導電率の媒体である銅に置き換えて電力損失を低減するものと考えることができます。

米国連邦通信委員会（FCC）が認める標準的な広く使用されている接地システムは、波長の4分の1（0.25）だけ放射状に伸びる120本の等間隔の接地線です。${\displaystyle \lambda }$マストから 90 電気度) の方向に配線します。^{[ 16 ] [ 15 ]} 通常は No. 10 ゲージの軟銅線を使用し、10 ～ 25 cm (4 ～ 10 インチ) の深さに埋設します。^{[ 16 ]} AM 放送帯のマスト の場合、マストから47 ～ 136 m (154 ～ 446 フィート)の範囲に円形の土地が必要です。この土地には通常、草が植えられ、背の高い草は特定の状況で電力損失を増加させる可能性があるため、短く刈り込まれます。マスト周辺の土地がこのような長いラジアルには狭すぎる場合は、多くの場合、より短いラジアルを多数使用して置き換えることができます。マスト絶縁体の下の金属支持部は、導電性金属ストラップで接地システムに接続され、コンクリートは誘電特性が低いため、マストを支えるコンクリートパッド全体に電圧が発生しないようにします。  

半波長（電気角180度）に近い高さのマストでは、基部付近に電圧の最大値（腹）が生じ、その結果、変位電流が地面に流れ込むマスト付近の接地線上の地中に強い電界が発生します。これにより、地中で大きな誘電損失が発生する可能性があります。この損失を低減するために、これらのアンテナでは、地中に埋設された接地線に接続された導電性の銅製接地スクリーンをマストの周囲に設け、地中に敷設するか、数フィート高く設置して地中を電界から遮蔽することがよくあります。別の解決策としては、マスト付近の接地線の数を増やし、誘電損失の少ないアスファルト舗装の表面層に非常に浅く埋設する方法があります。

基部給電式マストアンテナは、マスト基部に高電圧がかかっており、接地している人が触れると危険な感電を引き起こす可能性があります。マストの電位は、通常、接地に対して数千ボルトにも達します。電気工事規定では、このような露出した高電圧機器は一般の人が触れないように柵で囲むことが義務付けられているため、マストとアンテナ調整小屋は施錠された柵で囲まれています。通常は金網フェンスが使用されますが、金属製の柵に誘導される電流がアンテナの放射パターンを歪ませるのを防ぐために、木製の柵が使用される場合もあります。別の設計としては、マストをアンテナ調整小屋の上に設置し、一般の人が触れないようにすることで、柵を不要にする方法があります。

アンテナマストは、航空機にとって危険となるほど高い。航空規制では、マストを国際オレンジと白の塗料を交互に塗って、全長に沿って航空機警告灯を設置し、航空機からの視認性を高めることが義務付けられている。規制では、マストの頂上と（高さに応じて）塔の全長に沿って数カ所に点滅灯を設置することも義務付けられている。マストの高周波電圧は、警告灯への電力供給に問題となる。警告灯からマストを下りて主電源線に接続する電源ケーブルは、マストの高周波電位にある。^{[ 17 ] [ 3 ]}保護装置がない場合、高周波（RF）電流が交流電源配線の接地線に 流れ、マストが短絡する。これを防ぐために、マストの基部の照明電源ケーブルに保護アイソレータが設置され、高周波電流を遮断しながら、低周波の50または60Hzの交流電源はマストを通過させる。アイソレータ装置にはいくつかの種類がある。

• オースティン変圧器– これは、この用途のために特別に作られた特殊なタイプの絶縁変圧器で、変圧器の一次巻線と二次巻線は、アンテナの高電圧が飛び越えられないほど広いエアギャップで分離されています。 ^{[ 3 ]} これは、一次巻線が巻き付けられたリング状のトロイダル鉄心で構成され、アンテナ絶縁体の下のコンクリートベースから伸びるブラケットに取り付けられ、照明電源に接続されています。マストライトに電力を供給する二次巻線は、トロイダル鉄心を鎖の2つのリンクのように貫通するリング状のコイルで、2つの間にエアギャップがあります。一次巻線によって生成された磁場は、直接接続する必要なく二次巻線に電流を誘導します。
• チョーク- これは、円筒形の枠に細い線を巻いたコイルであるインダクタで構成されています。 ^{[ 3 ]}インダクタの インピーダンス（交流電流に対する抵抗）は、電流の周波数とともに増加します。アイソレーションチョークはローパスフィルタであり、無線周波数で高インピーダンスになるように構築されているため、RF電流が通過するのを防ぎますが、50/60 Hzの低い主電源周波数ではインピーダンスが無視できるほど小さいため、交流電力はライトに通過できます。チョークは、電源ケーブルを構成する3本の線（ホット、ニュートラル、安全接地）のそれぞれに挿入されます。各チョークの低電圧端はコンデンサを介して接地へとバイパスされているため、チョークの巻線間容量を介した容量結合によって低電圧端に誘起された高電圧は接地へと伝導されます。
• 並列共振回路（トラップ）は、電源線に並列接続されたインダクタとコンデンサで構成されます。インダクタンスとキャパシタンスの値は、回路の共振周波数がアンテナの動作周波数と一致するように選択されます。並列共振回路は、共振周波数において非常に高いインピーダンス（数千オーム）を持つため、高周波電流を遮断しますが、他のすべての周波数ではインピーダンスが低く、交流照明電力は通過します。この回路は、同調された特定の周波数のみを遮断するため、無線送信機の周波数を変更する場合は、トラップを調整する必要があります。

マストの基部には、マストと接地端子の間にボールまたはホーンのスパークギャップからなる避雷器を設置し、マストへの落雷による電流を接地へ流すようにする必要があります。 ^{[ 3 ]} 避雷器からの導線は、最短経路で金属製の接地杭に直接接続する必要があります。マストの頂上には、最上部の航空機警告灯を保護するための避雷針を設置する必要があります。 ^{[ 3 ]} マストには、マスト上の静電気を放電できるように、接地への直流経路も必要です。^{[ 3 ]} また、基部には接地スイッチがあり、保守作業中にマストを接地システムに接続して、作業員がマストで作業しているときに高電圧が発生する可能性がないようにするために使用されます。

背の高い無線マストは、他の無線アンテナを取り付けるのに便利な構造物であるため、多くのラジオ局は、アンテナ設置のためにタワー上のスペースを他のラジオサービスに貸し出しています。これらは「併設アンテナ」と呼ばれます。マストの放射器によく取り付けられるアンテナの種類としては、タクシーや配送サービス用の陸上移動無線システム用のグラスファイバーホイップアンテナ、商用通信やインターネットデータを伝送するマイクロ波中継リンク用のパラボラアンテナ、ツイストダイポール素子の同軸ベイで構成されるFMラジオ放送用アンテナ、および携帯電話基地局アンテナなどがあります。

併設アンテナがマストの送信周波数に近い周波数で動作しない限り、通常はマストの電圧から電気的に分離することが可能です。併設アンテナにRF電力を供給する送電線は、航空機の照明用送電線とほぼ同じ問題を抱えています。送電線はタワーを下り、基部の絶縁体を横切って低電圧機器に接続する必要があるため、絶縁装置がないと、マストの高電圧が流れ、マストが接地される可能性があります。送電線は、非導電性の型に同軸ケーブルをらせん状に巻いた低域通過フィルタインダクタによって分離されます。 ^{[ 17 ]}