無線塔と電波塔

無線塔や電波塔は、通常、テレビを含む通信や放送用のアンテナを支えるために設計された高層構造物です。支柱付きと自立型の 2 つの主なタイプがあります。これらは最も高い人工構造物の一つです。マストは、最初に建設した、または現在使用している放送組織にちなんで名付けられることがよくあります。

マストラジエーターまたは放射塔は、金属製のマストまたは塔自体に電力が供給され、送信アンテナとして機能するものです。

「マスト」と「タワー」という用語はしばしば同じ意味で使用されます。しかし、構造工学の用語では、タワーは自立型または片持ち構造であり、マストはステーまたは支線によって支えられています。^[1]

マスト​

支柱マストは、支柱なしでは立つだけのせん断強度を持たない薄い構造物で、支線を使用して安定性を確保します。地上または建物の上に設置できます。一般的なマストは、鉄格子または鋼管構造です。マストは建設コストが安い傾向がありますが、支線を収容するために周囲に広い領域が必要になります。

塔​

自立構造物で、屋上に設置されることもあり、実際の放射アンテナを機能的な高さまで上げるという同じ目的を達成します。支線を固定するための土地面積を必要としないため、土地が不足している都市では塔がより一般的に使用されています。^[a]

部分的に自立式で部分的に支柱で支えられている、いわゆる「支柱付きタワー」と呼ばれる境界線上の設計がいくつかあります。例:

ジェルブランディ塔

上部に支柱付きのマストを備えた自立型の塔で構成されています。

ブローノックスタワー

現在も残っている数少ない塔は、その逆で、支柱で支えられた下部と、その上に自立する部分があります。

ゼンステーション スミルデ

高い塔で、頂上には支柱付きのマストがあり、支柱は地面まで伸びています。

コルセローラの塔

支柱付きタワーで、上部に支柱付きマストがあり、タワー部分は自立していません。

無線通信の最初の実験は、1894年にグリエルモ・マルコーニによって行われました。 1895年から1896年にかけて、彼は垂直モノポールアンテナ、つまりマルコーニアンテナを発明しました。これは当初、高い木の棒から吊るされたワイヤーでした。彼は、アンテナを高く吊るすほど、より遠くまで送信できることを発見し、アンテナの高さの必要性を初めて認識しました。ラジオは、1900年頃に無線電信通信に商業的に使用され始めました。^[2]

商業ラジオの最初の 20 年間は、超低周波帯の非常に長い波長を使用して長距離を送信する無線電信局が主流でした。このような長い波長は現在ではほとんど使用されていません。極端な波長は 1 ～ 数キロメートルの長さであったため、比較すると最も高いアンテナでも電気的に短すぎ、その結果、本質的に非常に低い放射抵抗(わずか 5 ～ 25 オーム)しかありませんでした。どのアンテナでも、放射抵抗が低いと周囲の接地システムで過度の電力損失が発生します。これは、低抵抗のアンテナは高抵抗のアースと電力を効果的に競合できないためです。これを部分的に補うために、無線電信局では、効率を上げるために、複数の 100 ～ 300 メートル (330 ～ 980 フィート) の鉄塔の間に水平に張られたワイヤで構成される、容量性トップロードの巨大なフラットトップ アンテナを使用しました。^{[2] (pp 77 ～ 78)}

AM ラジオ放送は1920年頃に始まった。放送用の中波周波数の割り当てにより、トップローディングなしで単一の垂直マストを使用する可能性が生じた。1920年代を通じて放送に使用されたアンテナはTアンテナであり、これは2本のマストで構成され、上部にローディングワイヤが張られ、それらの間に張られており、単一のマストの2倍の建設コストと土地面積が必要でした。^{[2] （pp 77–78）} 1924年にスチュアート・バランタインは、シングルマストアンテナの開発につながった2つの歴史的な論文を発表しました。^{[2] （pp 77–78）}最初の論文では、グラウンドプレーン上の垂直導体の放射抵抗を導きました。^{[3] （pp 833–839）} 彼は、放射抵抗が長さで最大になることを発見しました⁠ 1 /2⁠ 波長なので、その長さのマストの入力抵抗は接地抵抗よりもはるかに高く、容量性トップロードの支援なしでは地上システムで失われる送信電力の割合が減少しました。同じ年の2番目の論文では、地上波で水平に放射される電力の量は、マストの高さが⁠のときに最大に達すること 5 /8⁠ 波長。^{[3] (pp 823–832)}

1930年までに、 T型アンテナの費用がかさんだため、放送局はマスト・ラジエーター・アンテナを採用するようになり、マストの金属構造自体がアンテナの役割を果たしました。^{[2] (pp 79–81)} 最初に使用されたタイプの1つは、ダイヤモンド・カンチレバーまたはブロー・ノックス・タワーでした。これはダイヤモンド (菱面体) の形をしており、剛性が高く、広い腰の部分に必要な支線は1セットだけでした。アンテナの尖った下端は、コンクリート製の土台の上にボール・ソケット式の大きなセラミック絶縁体で終わっており、構造物の曲げモーメントを軽減していました。最初の665フィート（203メートル）の半波長マストは、1931年にニュージャージー州ウェインのラジオ局WABCの50kW 送信機に設置されました^{。[4] [5]} 1930年代に、ダイヤモンド形状のBlaw-Knoxタワーは不利な電流分布を持ち、高角度で放射される電力が増加し、リスニングエリアでマルチパスフェーディングを引き起こすことがわかりました。^{[2] （pp 79–81）} 1940年代までに、AM放送業界はBlaw-Knox設計を放棄し、今日使用されている、より優れた放射パターンを持つ狭く均一な断面のラティスマストを採用しました。

1940年代から1950年代にかけてFMラジオとテレビ放送が普及したことにより、さらに高いアンテナ塔が必要になりました。初期のAM放送ではLF帯とMF帯が使用されていました。この帯域では電波は地表波として地球の輪郭に沿って伝播します。地表に沿った電波により、信号は地平線を越​​えて数百キロメートル先まで届きます。しかし、新しいFMおよびテレビ送信機はVHF帯を使用しており、この帯域では電波は見通し線に沿って伝播するため、視認できる地平線によって制限されます。より広いエリアをカバーするには、アンテナを十分高く上げて、エリアまで見通し線が通るようにするしかありません。

1991年8月8日まで、ワルシャワの無線塔は陸上にある世界で最も高い支持構造物であったが、それが倒壊したため、 KVLY / KTHI-TVの塔が世界一高い構造物となった。米国には600メートル（1,968.5フィート）以上の無線構造物が50以上ある。[ 6 ^]

鉄格子は、最も広く普及している構造形式です。強度が高く、軽量で耐風性に優れ、材料の使用も経済的です。三角形の断面を持つ格子が最も一般的ですが、正方形の格子も広く使用されています。支線マストもよく使用されます。支線は風荷重などの横方向の力を支え、マストを非常に細く、簡単に構築できます。

塔として建てられる場合、その構造は平行な側面を持つか、高さの一部または全部にわたって先細りになることがあります。エッフェル塔のように、高さとともに指数関数的に先細りになる複数のセクションで構築される場合、その塔はエッフェル化された塔と言われます。ロンドンのクリスタルパレスタワーがその一例です。

支線マストは、鋼管で作られることもあります。この構造タイプの利点は、ケーブルやその他のコンポーネントを管内で天候から保護できるため、構造がきれいに見えることです。これらのマストは主に FM/TV 放送に使用されますが、マスト ラジエーターとしても使用されることがあります。ミューラッカー送信所の大きなマストは、この良い例です。このタイプのマストの欠点は、本体が開いたマストに比べて風の影響をはるかに受けやすいことです。いくつかの管状の支線マストは倒壊しています。英国では、エムリー ムーアとウォルサムのテレビ局のマストが 1960 年代に倒壊しました。ドイツでは、ビールシュタイン送信所が1985 年に倒壊しました。管状のマストはすべての国で構築されたわけではありません。ドイツ、フランス、英国、チェコ共和国、スロバキア、日本、ソビエト連邦では、多くの管状の支線マストが構築されましたが、ポーランドや北米にはほとんどありません。

ロシアとウクライナの都市に、支柱付きの管状マストがいくつか建設された。これらのマストは、中央のマスト構造から支柱まで水平の横木が走るのが特徴で、1960年代に建設された。これらのマストの横木には、小型アンテナを固定する通路が装備されているが、主な目的は振動の減衰である。これらのマストの設計指定は30107 KMで、FMとテレビ専用であり、1つの例外を除いて高さは150〜200メートル（490〜660フィート）である。例外は、高さ354メートル（1161フィート）のヴィーンヌィツャのマストで、2010年にベルモント送信所の高さが低くなったため、現在世界で最も高い支柱付きの管状マストとなっている。

鉄筋コンクリート製の塔は、建設コストが比較的高いものの、強風下でも高い機械的剛性を発揮します。これは、マイクロ波ポイントツーポイントリンクに使用されるようなビーム幅の狭いアンテナを使用する場合や、その構造物に人が居住する場合に重要になります。

1950年代、AT&Tは初の大陸横断マイクロ波ルートのために、タワーというよりはサイロに似たコンクリート製の塔を多数建設した。^{[7] [8]}

ドイツとオランダでは、ポイントツーポイントのマイクロ波リンク用に建設された塔のほとんどが鉄筋コンクリートで造られているのに対し、英国ではほとんどが格子塔です。

コンクリート製の塔は、カナダのトロントにあるCN タワーのように、名高いランドマークとなることがあります。これらの建物には、技術スタッフを収容するだけでなく、展望台やレストランなどの公共エリアが設けられていることもあります。

インド中部のマディヤ・プラデーシュ州ジャバルプル近郊のカタンガテレビ塔には、国営放送局ドゥルダルシャンとプラサール・バラティの高出力送信機が設置されている。

シュトゥットガルトのテレビ塔は、鉄筋コンクリートで建てられた世界初の塔です。1956年に地元の土木技師フリッツ・レオンハルトによって設計されました。

グラスファイバー製のポールは、低電力の無指向性ビーコンや中波放送送信機に使用されることがあります。

炭素繊維のモノポールやタワーは、従来は高価すぎましたが、炭素繊維の糸を紡ぐ方法の最近の進歩により、重量が鋼鉄の何分の一か（70%少ない^[9]）で強度（鋼鉄の10倍）を超えるソリューションが生まれ、これにより、鋼鉄構造に必要な重量物持ち上げ装置では高価すぎたりアクセスが困難だったりする場所にもモノポールやタワーを建設できるようになりました。

全体的に、炭素繊維構造は従来の建築材料に比べて 40 ～ 50% 速く構築できます。

2022年現在^[update]、通信塔の建設にはこれまで珍しい材料であった木材が、ますます一般的になり始めている。2022年には、周囲の木々に溶け込むように、既存の鉄骨構造に代わる木製の通信塔がイタリアで初めて建てられた。^[10] 通信会社が木材を選択する理由として最もよく挙げられるのは、木材が業界で唯一気候にポジティブな材料だからである。^[11] このため、一部の電柱販売業者は、5Gインフラの需要の高まりに対応するために木製の塔を提供し始めた。例えば、米国では、木製電柱販売業者のベル・ランバー・アンド・ポールが通信業界向けの製品の開発を開始した。^[12]

短いマストは、電信柱に似た、自立型または支柱付きの木製の柱で構成されている場合があります。自立型の管状の亜鉛メッキ鋼の柱が使用される場合もあります。これらはモノポールと呼ばれることがあります。

場合によっては、高層ビルの屋上に送信アンテナを設置できる。北米では、例えば、エンパイア・ステート・ビル、ウィリス・タワー、プルデンシャル・タワー、タイムズスクエア4番地、ワン・ワールド・トレード・センターに送信アンテナがある。オリジナルのワールド・トレード・センターのノースタワーにも、屋上に110メートル（360フィート）の通信アンテナがあり、1978～1979年に建設され、1980年に送信を開始した。ビルが倒壊したとき、バックアップの送信機が稼働するまで、いくつかの地元のテレビ局とラジオ局は放送を停止した。^{[13]このような施設は}ヨーロッパ にも存在し、特にポータブル・ラジオ・サービスや低出力FMラジオ局向けである。ロンドンでは、BBCが1936年にビクトリア朝の建物であるアレクサンドラ・パレスの塔の1つに初期のテレビ放送用のマストを建てた。それは現在も使用されている。

偽装セル サイトは、木、煙突、またはその他の一般的な構造物のように見せることで、視覚的な影響が少ないことが求められる環境に導入されることがあります。

むき出しの携帯電話の塔は醜く、近隣への侵入者だと多くの人が考えています。携帯電話通信への依存度は高まっていますが、むき出しの塔が美しい景観を損なうことには反対しています。多くの企業が、木、教会の塔、旗竿、貯水タンクなどの中に、またはそれらとして携帯電話の塔を「隠す」ことを提案しています。^[14] 通常の塔の設置および保守サービスの一環として、これらのサービスを提供するプロバイダーは数多くあります。これらは一般に「ステルス塔」または「ステルス設備」、または単に隠蔽基地局と呼ばれています。

偽装された携帯電話基地局の精細さとリアリズムのレベルは驚くほど高く、例えば木に偽装された基地局は本物とほとんど区別がつかない。^{[15]このような基地局は}国立公園などの保護された場所 に目立たないように設置することができ、例えば米国のコロナド国立森林公園にあるサボテンに偽装された基地局などがある。^[16]

しかし、偽装されていても、このような塔は論争を巻き起こす可能性がある。2004年には、旗竿を兼ねた塔が、その年の米国大統領選挙に関連して論争を巻き起こし、このような偽装は景観を美化するよりも、世間の監視を逃れるためにこのような塔を設置することを可能にするためのものだという意見が浮き彫りになった。^[17]

マストラジエーターまたはマスト アンテナは、構造全体がアンテナになっている無線塔またはマストです。マスト アンテナは、長波または中波放送に典型的な送信アンテナです。

構造上、唯一の違いは、一部のマスト ラジエーターではマスト ベースを地面から絶縁する必要があることです。絶縁されたタワーの場合、通常、各脚を支える絶縁体が 1 つあります。ただし、一部のマスト アンテナ設計では絶縁が不要なため、ベースの絶縁は必須の機能ではありません。

無線塔の特殊な形態として、伸縮式マストがあります。これらは非常に迅速に設置できます。伸縮式マストは、主に、主要なニュース イベントの報道や緊急時の一時的な通信のための一時的な無線リンクの設置に使用されます。また、戦術的な軍事ネットワークでも使用されます。マストを上げているときだけ強風に耐える必要があるため、コストを節約でき、アマチュア無線で広く使用されています。

伸縮マストは 2 つ以上の同心セクションで構成され、主に次の 2 つのタイプがあります。

• ポンプアップ マストは車両によく使用され、空気圧または油圧で最大の高さまで持ち上げられます。通常、ポンプアップ マストはかなり小さなアンテナを支えるのに十分な強度しかありません。
• 伸縮式ラティス マストは、手動または電動モーターで駆動するウインチを使用して持ち上げます。このタイプは、ポンプ アップ タイプよりも高い高さと負荷に対応できます。格納時には、2 つ目のチルトオーバー ウインチを使用して、アセンブリ全体を水平位置まで下げることができます。これにより、ウインチでマストを持ち上げる前に、地上レベルでアンテナを取り付けて調整できます。

係留気球や凧は一時的な支えとして使用できます。アンテナやワイヤー (VLF、LW、MW 用) を適切な高さまで運ぶことができます。このような配置は、軍事機関やアマチュア無線家によって時々使用されます。アメリカの放送局TV Martíは、このような気球を使用して キューバにテレビ番組を放送しています。

2013年には、無人航空機（ドローン）を通信目的で使用することに関心が集まり始めました。^[18]

2 つのVLF送信機には、深い谷間に張られたワイヤー アンテナが使用されています。ワイヤーは、小さなマスト、タワー、または岩のアンカーによって支えられています。同じ技術が、クリギオン ラジオ局でも使用されました。

ELF 送信機には、地上ダイポールアンテナが使用されます。このような構造には、高いマストは必要ありません。少なくとも数十キロメートル離れた地中深くに埋め込まれた 2 つの電極で構成されます。送信機の建物から電極まで、架空給電線が通っています。これらの線は、10 kV レベルの電力線に似ており、同様の鉄塔に設置されています。

• マストやタワーのコストは、おおよそその高さの二乗に比例します。^[要出典]
• 支柱付きマストは、同じ高さの自立式タワーよりも建設コストが安価です。
• 支柱付きマストは支柱を収容するための追加の土地を必要とするため、土地が比較的安価な田舎の場所に最適です。支柱なしのタワーは、はるかに小さな土地に収まります。
• 同じ高さのコンクリートタワーよりも、鉄格子タワーの方が建設コストが安くなります。
• 2 つの小さな塔は、特に見た目が同じであれば、1 つの大きな塔よりも視覚的に邪魔にならない場合があります。
• 塔自体と塔に取り付けられたアンテナが対称に見えると、塔の見た目がそれほど醜くなくなります。
• コンクリートタワーは、美観を考慮して建設されることがあります。目立つ場所に建設され、展望台やレストランが併設されることもあります。

短波範囲での送信の場合、アンテナを地上から波長の半分から 4 分の 3 以上高くしてもほとんど効果はなく、周波数が低く波長が長い場合は高さが実現不可能なほど高くなります (85 メートル (279 フィート) 以上)。短波送信機では、約 100 メートルを超える高さのマストを使用することはほとんどありません。

マスト、タワー、およびそれらに取り付けられたアンテナはメンテナンスが必要なため、構造全体にアクセスする必要があります。小さな構造物には通常、はしごを使用してアクセスします。メンテナンスの頻度が高くなる傾向がある大きな構造物には、階段があり、サービス エレベーターとも呼ばれるエレベーターがある場合もあります。

法定高さを超える高層建築物には、パイロットに建築物の存在を警告するための航空機警告灯（通常は赤色）が装備されていることが多い。かつては、電球の寿命を最大化するために、耐久性の高い短寿命のフィラメントランプが使用されていた。代わりに、ネオンランプが使用されていた。現在では、このようなランプにはLEDアレイが使用される傾向がある。

高さの要件は州や国によって異なり、昼間は白い点滅ストロボ、夜間は赤色の点滅灯の設置を義務付けるなどの追加規則が含まれる場合があります。また、一定の高さを超える構造物は、空を背景に目立つように、白とオレンジ、白と赤などの対照的な配色で塗装することが義務付けられる場合もあります。

光害が懸念される国では、航空機の警告灯の必要性を減らすかなくすために、塔の高さが制限されることがあります。たとえば、米国では、1996 年の電気通信法により、地方自治体が塔の高さを 200 フィート (61 メートル) 未満に制限するなど、塔の最大高さを設定することが許可されており、これにより米国連邦通信委員会(FCC) の規則に基づいて航空機の照明が不要になります。

無線塔の問題の 1 つは、風による振動の危険性です。これは、特に鋼管構造の場合に懸念されます。円筒形の緩衝装置を構造に組み込むことで、この問題を軽減できます。マストよりも厚い円筒のように見えるこのような緩衝装置の例は、ザターラントにあるDHO38の無線塔に見られます。また、通常は鉄筋コンクリート製の自立型タワーに支柱付き無線塔を設置する構造もあります。その一例が、オランダのロピックにあるゲルブランディ タワーです。この建築方法によるタワーは、オランダのシュミルデ付近や、ドイツのヴァルデンブルクにあるテレビ塔にも見られます。

ラジオ、テレビ、携帯電話の塔は鳥類に危険を及ぼすことが記録されている。既知の鳥類の死亡例を記録した報告書が発行され、通信塔が鳥類に及ぼす危険を最小限に抑える方法を見つけるための研究が求められている。^{[19] [20]}

また、珍しい鳥が携帯電話基地局に巣を作り、それらを保護するための法律により修理作業が妨げられる例もある。^{[21] [22]}

• Sreevidya, S.; Subramanian, N. (2003 年 9 月)。「アンテナ塔の美的評価」。建築工学ジャーナル。9 ( 3)。アメリカ土木学会: 102–108。doi :10.1061/(ASCE)1076-0431(2003)9:3(102)。
• アメリカ土木学会。支線送電構造に関する小委員会 (1997)。「支線送電構造の設計」。ASCEエンジニアリング実務マニュアルおよびレポート。91 ( 91 )。アメリカ土木学会。 9780784402849出版社

• 「米国の 200 フィートを超えるすべての塔」。wireless.fcc.gov。— 特定の周波数で送信する塔、または特定の出力を超える送信機を持つ塔は、米国で登録する必要があります。これはオンライン ディレクトリです。