방송탑

1. 개요

방송탑은 무선 통신을 위한 안테나를 설치하는 데 사용되는 구조물로, 마스트와 타워로 구분된다. 마스트는 가이 와이어로 지지되는 반면, 타워는 자체 지지 구조를 갖는다. 전파탑이라는 용어는 자립식 타워와 지선식 마스트를 모두 포함하며, 1894년 굴리엘모 마르코니의 무선 통신 실험 이후 발전해왔다. 방송탑은 구조, 재료, 기능에 따라 다양한 종류가 있으며, 강철, 철근 콘크리트, 유리 섬유, 탄소 섬유, 목재 등이 사용된다. 최근에는 주변 환경과 조화를 이루기 위해 위장형 기지국이 사용되기도 한다. 방송탑은 항공 안전을 위한 조명과 도색, 풍력에 의한 진동 방지, 조류의 위험 등 다양한 설계 특징을 가지며, 대한민국에서는 방송 송출 및 이동 통신 기지국, 군사 통신을 위해 널리 사용된다.

2. 용어

"마스트"와 "타워"라는 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만, 구조 공학적 용어에서 타워는 자체 지지 또는 캔틸레버 구조물인 반면, 마스트는 스테이 또는 가이 와이어(지선)에 의해 지지되는 구조물이다.

* 마스트: 가이 마스트는 지지 없이 서 있을 전단 강도가 없는 얇은 구조물로, 안정성을 위해 부착된 가이 라인을 사용한다. 지상 또는 건물 위에 설치할 수 있다. 일반적인 마스트는 강철 격자 또는 강철 튜브 구조로 되어 있다. 마스트는 건설 비용이 저렴한 경향이 있지만, 가이 와이어를 수용하기 위해 주변에 넓은 영역이 필요하다.

* 타워: 실제 방사 안테나를 기능적인 높이로 올리는 동일한 목적을 달성하는 자체 지지 구조물로, 지붕 위에 설치할 수도 있다. 가이 라인을 고정할 토지 면적이 필요 없기 때문에, 타워는 토지 부족이 심한 도시에서 더 일반적으로 사용된다.

일부는 독립형이고 일부는 가이 와이어로 지지되는 몇 가지 경계 설계가 있으며, 이를 부가적으로 가이 와이어를 사용하는 타워라고 한다.

영어에서는 "mast(마스트)" 또는 "tower(타워)"가 사용된다. 이 둘은 종종 혼동되지만, 엄밀한 공학 용어에서 "타워"는 자립탑 또는 외팔보를 사용한 건조물인 반면, "마스트"는 건물 자체가 외부의 지주나 가새에 의해 지지되는 건조물이다. 일반적으로 마스트는 건축비가 저렴하게 들지만, 구조상 건물 주변의 넓은 범위에 가새를 설치할 토지가 필요하기 때문에 설치할 수 있는 곳이 인구가 적은 평야부에 한정되는 반면, 그 토지를 확보할 수 없는 도시부나 산간부 등에서는 자립탑인 타워를 세우는 경우가 많다.

아마추어 무선가들도 일반적으로 전력을 전파로 방사하는 장치를 "안테나"(전파법 용어로는 "공중선"), 그것을 설치하기 위해 세우는 탑을 "타워"라고 명확히 구분한다.

3. 역사

1894년 굴리엘모 마르코니가 최초의 무선 통신 실험을 수행하면서 전파탑의 역사가 시작되었다. 마르코니는 안테나를 높이 달수록 통신 거리가 늘어난다는 사실을 발견하고, 더 높은 안테나 설치의 필요성을 처음으로 인지하였다. 1900년대 초, 무선은 무선 전신 통신에 상업적으로 사용되기 시작했다. 초기에는 장거리 통신을 위해 초저주파수 대역의 거대한 용량성 상부 부하 플랫톱 안테나가 사용되었다.

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1920년대 AM 라디오 방송이 시작되면서 중파 주파수 대역에 맞는 기둥 복사기 안테나가 개발되었다. 1924년 스튜어트 볼란타인은 단일 기둥 안테나 개발에 기여한 두 개의 중요한 논문을 발표했다. 그는 1/2 파장 길이의 기둥이 방사 저항이 최대가 되어 접지 시스템에서 손실되는 전력 비율을 줄일 수 있다는 것과, 5/8 파장 높이의 기둥이 지표파에서 수평으로 방사되는 전력의 양을 최대화한다는 것을 밝혀냈다.

1930년대에는 T-안테나의 높은 건설 비용 때문에 기둥 자체를 안테나로 사용하는 기둥 복사기 안테나가 채택되었다. 초기에는 다이아몬드 캔틸레버 (블라우-녹스 타워)가 사용되었으나, 방사 패턴 문제로 인해 1940년대 이후에는 좁고 균일한 단면 격자 기둥으로 대체되었다.

1940~1950년대 FM 라디오와 텔레비전 방송의 시작으로 VHF 대역의 전파를 더 멀리 보내기 위해 더 높은 전파탑이 필요하게 되었다. VHF 대역에서는 전파가 시선 전파로 전파되어 시각적 지평선에 의해 통신 가능 거리가 제한되기 때문이다.

4. 종류

방송탑은 사용되는 재료에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

이 외에도 다음과 같은 기타 구조물이나 방식을 이용하기도 한다.

* 전신주: 짧은 마스트에 사용될 수 있다. 때로는 자체 지지식 튜브형 아연 도금 강철 기둥(모노폴)을 사용한다.
* 고층 건물 옥상: 엠파이어 스테이트 빌딩, 윌리스 타워 등 고층 건물의 옥상에 송신 안테나를 설치하기도 한다.
* 위장: 주변 환경과 조화되도록 나무, 굴뚝, 교회 탑, 깃대, 물탱크 등의 형태로 위장한 기지국도 있다.
* 신축식 마스트: 임시 통신 등에 사용되는 빠르게 설치 가능한 마스트이다.
* 묶인 [[기구]] 또는 [[연]]: 임시 지지대로 사용되어 안테나를 적절한 높이까지 운반할 수 있다.
* [[무인 항공기]] (드론): 2013년부터 통신 목적으로 사용에 대한 관심이 시작되었다.

4.1. 구조에 따른 분류

"마스트"와 "타워"라는 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만, 구조 공학적 용어에서 타워는 자체 지지 또는 캔틸레버 구조물인 반면, 마스트는 스테이 또는 가이 와이어에 의해 지지된다.

* 마스트: 가이 마스트는 지지 없이 서 있을 전단 강도가 없는 얇은 구조물로, 안정성을 위해 부착된 가이 라인을 사용한다. 지상 또는 건물 위에 설치할 수 있다. 일반적인 마스트는 강철 격자 또는 강철 튜브 구조로 되어 있다. 마스트는 건설 비용이 저렴한 경향이 있지만, 가이 와이어를 수용하기 위해 주변에 넓은 영역이 필요하다.

* 타워: 자체 지지 구조물로, 지붕 위에 설치할 수도 있다. 가이 라인을 고정할 토지 면적이 필요 없기 때문에, 타워는 토지 부족이 심한 도시에서 더 일반적으로 사용된다.

일부는 독립형이고 일부는 가이 와이어로 지지되는 몇 가지 경계 설계가 있으며, 이를 부가적으로 가이 와이어를 사용하는 타워라고 한다.

강철 격자 구조는 가장 널리 사용되는 구조 형태이다. 이는 뛰어난 강도, 낮은 무게, 풍압 저항성, 그리고 자재의 경제성을 제공한다. 삼각형 단면의 격자 구조가 가장 흔하며, 사각형 격자 구조도 널리 사용된다. 가이 마스트가 자주 사용되며, 지지하는 가이 로프는 바람 하중과 같은 횡력을 전달하여 마스트를 매우 좁고 간단하게 건설할 수 있게 한다.

타워로 건설될 때, 구조물은 평행한 측면을 가질 수도 있고, 높이의 일부 또는 전체에 걸쳐 좁아질 수도 있다. 에펠탑과 같이 높이에 따라 지수적으로 좁아지는 여러 섹션으로 구성된 경우, 해당 타워는 에펠식 타워라고 한다.

지지 마스트는 때때로 강철 튜브로도 제작된다. 이러한 구조는 케이블과 기타 부품을 튜브 내부에서 날씨로부터 보호할 수 있다는 장점이 있으며, 결과적으로 구조가 더 깨끗해 보인다. 이러한 마스트는 주로 FM/TV 방송에 사용되지만 때로는 마스트 방사체로도 사용된다. 이러한 종류의 마스트의 단점은 몸체가 개방된 마스트보다 바람의 영향을 훨씬 더 많이 받는다는 것이다.

튜브형 마스트는 모든 국가에서 건설된 것은 아니다. 독일, 프랑스, 영국, 체코, 슬로바키아, 일본, 소련에서는 많은 튜브형 지지 마스트가 건설되었지만 폴란드나 북미에는 거의 없다.

러시아와 우크라이나의 여러 도시에서 여러 튜브형 지지 마스트가 건설되었다. 이 마스트는 중앙 마스트 구조에서 지지대까지 수평 가로대를 특징으로 하며 1960년대에 건설되었다.

영어에서는 "mast(마스트)" 또는 "tower(타워)"가 사용된다. 이 둘은 종종 혼동되지만, 엄밀한 공학 용어에서 "타워"는 자립탑 또는 외팔보를 사용한 건조물인 반면, "마스트"는 건물 자체가 외부의 지주나 가새에 의해 지지되는 건조물이다. 일반적으로 마스트는 건축비가 저렴하게 들지만, 구조상 건물 주변의 넓은 범위에 가새를 설치할 토지가 필요하기 때문에 설치할 수 있는 곳이 인구가 적은 평야부에 한정되는 반면, 그 토지를 확보할 수 없는 도시부나 산간부 등에서는 자립탑인 타워를 세우는 경우가 많다.

4.2. 재료에 따른 분류

방송탑은 사용되는 재료에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

* 강철 (Steel): 가장 널리 사용되는 재료이다. 강철 격자 구조는 뛰어난 강도, 가벼운 무게, 바람 저항성, 경제성을 제공한다. 삼각형 또는 사각형 단면의 격자 구조가 사용된다. 강철 튜브는 케이블과 부품을 보호하고 깔끔한 외관을 제공하지만, 바람의 영향을 더 많이 받는다.

* 철근 콘크리트 (Reinforced concrete): 건설 비용이 높지만 강풍에 강하다. 좁은 빔폭의 안테나를 사용하거나 사람이 거주해야 할 때 중요하다.

* 유리 섬유 (Fiberglass): 저전력 무지향성 비콘이나 중파 방송 송신기에 사용된다.
* 탄소 섬유 (Carbon Fiber): 강철보다 강하고 가벼워 최근 사용이 증가하고 있다. 설치 속도가 빠르다는 장점이 있다.
* 목재 (Wood): 기후 긍정적인 재료로 최근 사용이 증가하고 있다.
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4.3. 기타

전신주는 짧은 마스트에 사용될 수 있다. 때로는 자체 지지식 튜브형 아연 도금 강철 기둥이 사용되는데, 이를 모노폴이라고 부를 수 있다.
고층 건물의 옥상에 송신 안테나를 설치하는 경우도 있다. 북아메리카에는 엠파이어 스테이트 빌딩, 윌리스 타워, 프루덴셜 타워, 4 타임스 스퀘어, 원 월드 트레이드 센터에 송신 안테나가 설치되어 있다.

주변 환경과 조화되도록 위장한 기지국도 있다. 나무, 굴뚝, 교회 탑, 깃대, 물탱크 또는 기타 일반적인 구조물처럼 보이도록 만들어 시각적 영향을 최소화한다. 이러한 타워는 국립공원 및 기타 보호 구역과 같이 눈에 띄지 않게 설치할 수 있다.

신축식 마스트는 매우 빠르게 설치할 수 있는 마스트로, 임시 통신 등에 사용된다. 펌프식 마스트는 차량에 자주 사용되며, 공압 또는 유압 방식으로 완전히 높이 솟아오른다. 신축식 격자 마스트는 수동 또는 전동 모터로 구동되는 윈치를 사용하여 설치된다.

묶인 기구 또는 연은 임시 지지대로 사용될 수 있다. 안테나 또는 와이어를 적절한 높이까지 운반할 수 있다. 이러한 방식은 군 기관이나 아마추어 무선가들이 가끔 사용한다.

2013년부터 통신 목적으로 무인 항공기 (드론)를 사용하는 것에 대한 관심이 시작되었다.

5. 설계 특징

* 경제성 및 심미성:
* 송신탑 건설 비용은 대략 높이의 제곱에 비례한다.
* 가이 로프(guy rope, 지선) 방식 마스트는 자립형 타워보다 건설 비용이 저렴하지만, 가이 로프 설치를 위한 추가 부지가 필요하여 토지 비용이 저렴한 시골 지역에 적합하다.
* 강철 격자 타워는 콘크리트 타워보다 건설 비용이 저렴하다.
* 위틀리베르크 송신탑처럼 콘크리트 타워는 미적인 디자인을 고려하여 건설할 수 있으며, 전망대나 레스토랑을 포함하기도 한다.
* 두 개의 작은 타워가 하나의 큰 타워보다 시각적으로 덜 거슬릴 수 있으며, 타워와 안테나가 대칭적일 때 덜 흉하게 보인다.
* 단파(HF) 안테나용 마스트:
* 단파 대역 송신에서는 안테나를 지면에서 파장의 절반에서 4분의 3 이상 높이는 것의 이점이 크지 않다. 낮은 주파수와 긴 파장에서는 안테나 높이가 실현 불가능할 정도로 커지기 때문이다. 따라서 단파 송신기는 100m보다 높은 마스트를 거의 사용하지 않는다.
* 접근성:
* 마스트, 탑, 안테나는 유지보수가 필요하므로 구조 전체에 대한 접근이 필요하다.
* 작은 구조물은 사다리를 이용하고, 큰 구조물은 계단이나 서비스 엘리베이터를 설치하기도 한다.
* 항공 안전:
* 일정 높이 이상 구조물에는 항공기 조종사에게 경고하기 위해 항공 장애 등을 설치한다.
* 과거에는 필라멘트 램프나 네온 램프를 사용했지만, 최근에는 LED 어레이를 사용한다.
* 높이 요구 사항은 국가마다 다르며, 대비되는 색상 구성표로 도색해야 할 수도 있다.
* 빛 공해:
* 빛 공해를 줄이기 위해 일부 국가에서는 방송탑 높이를 제한하기도 한다.
* 미국에서는 1996년 통신법에 따라 지방 정부가 방송탑 최대 높이를 정할 수 있으며, 약 60.96m 이하로 제한하여 항공기 조명을 요구하지 않도록 할 수 있다.
* 풍력 진동:
* 바람에 의한 진동은 강철 튜브 구조에서 특히 문제가 되며, 원통형 충격 흡수 장치를 설치하여 줄일 수 있다.
* 게르브란디 타워처럼 철근 콘크리트 독립형 타워에 가이 로프가 설치된 송신탑을 세우는 방식으로 건설하기도 한다.
* 조류 충돌:
* 방송탑은 조류에게 위험을 초래할 수 있으므로, 조류 사망을 줄이고 위험을 최소화하기 위한 연구가 필요하다.
* 희귀 조류가 이동 통신 타워에 둥지를 틀어 수리 작업이 방해되는 경우도 있다.

6. 주요 전파탑 목록 (참고)