¿Qué es una antena de raíl? La guía completa

Con el avance de la tecnología y el vertiginoso estilo de vida moderno, el sector ferroviario también se está volviendo cada vez más avanzado y avanza hacia sistemas ferroviarios inteligentes. Las antenas ferroviarias se han convertido en una necesidad en los sistemas ferroviarios actuales para una communicación eficaz y fiable. Este artículo ofrece una visión general de las antenas ferroviarias y analiza su diseño, funcionalidad, aplicaciones, ventajas e impacto en la industria ferroviaria, así como algunos estudios de casos reales.

Introducción a las antenas ferroviarias

Una communicación fiable y eficaz es absolutamente necesaria para el funcionamiento estable y sin problemas de la mayoría de los sistemas ferroviarios modernos. Con el elevado número de componentes correlacionados en un sistema ferroviario, como sistemas de señalización, sistemas de alarma, billetaje, videovigilancia, gestión del tráfico, etc., es crucial implantar una solución de communicación robusta. La falta de una communicación adecuada en un sistema ferroviario puede dar lugar a muchos problemas, incluidos riesgos en las operaciones, la seguridad y los aspectos de seguridad.

Las antenas ferroviarias desempeñan un papel fundamental en todos estos sistemas de communicación ferroviaria. Son los componentes principales de los sistemas de communicación y el rendimiento de toda la configuración puede depender en gran medida del rendimiento de la antena. Las antenas ferroviarias están diseñadas específicamente para diversas aplicaciones de communicación ferroviaria, como antenas omnidireccionales de techo para communicación entre trenes en movimiento, centros de operaciones y estaciones, así como antenas internas para WiFi dentro de los vagones y antenas multipolarizadas. En los sistemas ferroviarios, las antenas se utilizan principalmente en indicadores ferroviarios, monitorización, navegación y sistemas de communicación con los pasajeros.

Definición básica de las antenas ferroviarias

Las antenas ferroviarias son dispositivos utilizados por la industria ferroviaria para conseguir un entorno conectado tanto para los pasajeros como para las tareas operativas. El tipo de antena ferroviaria más communicado es la antena montada en el techo, que es un componente extremadamente crucial en los trenes. Es esencial para communicarse con otros trenes en marcha y estaciones de ferrocarril, así como con los centros operativos, guiando y proporcionando las señales necesarias para los maquinistas y pasajeros.

Las antenas de carril funcionan de forma similar a cualquier otra antena. Una antena de carril emisora irradia una onda electromagnética que puede inducir una corriente eléctrica en un conductor cercano. En una antena de carril receptora, el campo electromagnético aplicado se distribuye por toda la longitud de la antena para recibir la señal. Las antenas de carril suelen colocarse lo más alto posible para minimizar la obstrucción de cualquier otra señal.

Diseño y estructura

Al diseñar una antena ferroviaria, hay que tener en cuenta las limitaciones físicas de tamaño de la cubierta de un tren. El espacio entre las dimensiones exteriores del tren y el gálibo máximo permitido es limitado. Por lo tanto, al diseñar una antena ferroviaria, ésta debe ser lo más pequeña posible, sin comprometer el rendimiento o la funcionalidad de la antena. Por lo general, las antenas ferroviarias tienen una altura de entre 40mm y 80mm y se fabrican para funcionar con distintos sistemas de communicación, como GSM-R, UMTS, LTE, LTE MIMO, WiFi 2.4/5GHz, etc.

Normalmente, las antenas omnidireccionales se diseñan para su uso en trenes, ya que las estaciones de tren, los centros de operaciones y otros trenes en movimiento podrían estar en cualquier dirección y necesitan communicarse de forma eficiente. Lo ideal es que el plano de tierra de una antena de raíl sea una chapa metálica grande, plana y horizontal situada por encima de la altura de cualquier otro objeto situado encima del tren. Las antenas ferroviarias deben colocarse lo más lejos posible de los obstáculos de los techos de los trenes, como los aparatos de aire acondicionado, ya que pueden degradar considerablemente el rendimiento de la antena. Otro requisito importante a la hora de diseñar antenas ferroviarias es garantizar que sean resistentes incluso a condiciones meteorológicas adversas, ya que estarían sometidas regularmente a fuertes vientos, altas temperaturas, mucho desgaste, etc.

Tipos de antenas ferroviarias

Existen muchos tipos de antenas ferroviarias. Según el caso de uso, pueden dividirse en tres categorías: antenas montadas en los techos de los trenes, antenas en el interior de los trenes y antenas en las estaciones.

Las antenas que se montan en los techos de los trenes suelen ser omnidireccionales o bidireccionales. Las antenas omnidireccionales irradian señales uniformemente en todas direcciones. Proporcionan una cobertura completa alrededor del tren. Por lo tanto, son una solución útil y versátil para todos los requisitos generales de communicación en trenes, como proporcionar detalles de localización en tiempo real, transferir y recibir información operativa, seguimiento, vigilancia, etc. Las antenas de carril bidireccionales ofrecen cobertura de adelante hacia atrás o de lado a lado.

Estas antenas ferroviarias suelen combinar múltiples tecnologías de communicación para satisfacer los requisitos exclusivos de los sistemas ferroviarios. Por lo tanto, al considerar los tipos de antenas ferroviarias, existen antenas de redes WiFi y celulares, antenas GPS, antenas multipolarizadas, Antenas MIMO, etc, y antenas compatibles con varias de estas tecnologías simultáneamente.

Las antenas que se utilizan en las estaciones de ferrocarril pueden ser direccionales u omnidireccionales. Las antenas direccionales emiten señales en una sola dirección. Pueden ser útiles para proporcionar una mayor ganancia en zonas de cobertura específicas. Son ideales para la communicación en tierra para enviar y recibir señales, información de seguimiento, etc. de forma eficiente. Las antenas omnidireccionales para estaciones ferroviarias proporcionan una cobertura más amplia y, por lo tanto, son ideales para communicación de control de trenes, sistemas de información a pasajeros y actividades de intercambio de datos entre estaciones. Las antenas ferroviarias internas se utilizan generalmente para establecer una red inalámbrica que proporcione conectividad a Internet a los pasajeros y al personal de a bordo.

Especificaciones técnicas

Las antenas ferroviarias tienen que funcionar con fiabilidad mientras el tren viaja por diversos entornos de red. Por lo tanto, las antenas ferroviarias están diseñadas para ser compatibles con múltiples tecnologías como 4G y otras redes celulares, GPS, WiFi, etc. Las antenas ferroviarias actuales suelen ser compatibles con múltiples redes celulares, incluidas 5G, 4G y LTE, y funcionan tanto en espectros de frecuencia con licencia como sin licencia. Las antenas ferroviarias compatibles con WiFi, normalmente antenas internas de trenes, funcionan en rangos de frecuencia de 2,4Ghz y 5GHz.

Estas antenas utilizan tecnologías modernas como MIMO y conceptos de formación de haces. La razón principal para utilizar el concepto MIMO en antenas ferroviarias se debe a la naturaleza variable de la señal y su atenuación en función de la ubicación geográfica y su entorno operativo. Las frecuentes fluctuaciones de los parámetros de la señal en función de los factores ambientales provocan cambios en la relación señal/ruido y repercuten en la tasa global de error de datos. Utilizando MIMO en las antenas de ferrocarril, varias antenas transmiten y reciben datos simultáneamente, lo que mejora la fiabilidad de la señal y reduce las interferencias. Así, la tasa de error de datos se reducirá al mínimo y el impacto en el rendimiento global será mínimo debido a las variaciones en los entornos operativos. La formación de haces es otra popular tecnología de procesamiento de señales que se utiliza en las antenas ferroviarias. En la formación de haces, las señales en determinados ángulos están sujetas a interferencia constructiva mientras que otras están sujetas a interferencia destructiva mediante la combinación de elementos de antena en un conjunto en fase dispuestos en un patrón específico. La formación de haces se utiliza tanto en el extremo transmisor como en el receptor de los enlaces de communicación de los sistemas ferroviarios para mejorar el alcance, la capacidad y el rendimiento general.

Otras tecnologías modernas, como la communicación óptica en espacio libre, los métodos de codificación de canales y los métodos de transmisión adaptativa, pueden utilizarse en antenas ferroviarias. Todas estas tecnologías se utilizan en las antenas ferroviarias para mejorar su rendimiento. Las antenas ferroviarias admiten GPS para permitir un seguimiento preciso de la ubicación. Dado que estas antenas deben proporcionar señales precisas con errores de datos mínimos durante el movimiento a alta velocidad, se utilizan antenas con alta ganancia y amplificadores integrados. Las antenas ferroviarias compatibles con GPS funcionan en las frecuencias L1 (1575,42 MHz) y L2 (1227,60 MHz). Las antenas ferroviarias sólo se construyen para cumplir con las unidades PTC (Control Positivo de Trenes) que operan en la asignación de frecuencias 220 MHz para communicaciones críticas de seguridad. Utilizan varios alimentadores de antena y conexiones coaxiales para admitir frecuencias simultáneas y disponer de redundancia.

Aplicaciones en sistemas ferroviarios

La communicación es vital en los sistemas ferroviarios. Las antenas desempeñan un papel clave en el mantenimiento de una communicación estable y fiable entre todas las partes interesadas, como pasajeros, operadores ferroviarios, maquinistas, personal de la estación, etc. Las antenas ferroviarias se utilizan para muchos fines en los sistemas ferroviarios. Las antenas ferroviarias se utilizan para monitorizar los trenes en tiempo real. Con el apoyo del GPS y la conectividad 4G o 5G rápida en las antenas ferroviarias modernas, es posible transferir datos de ida y vuelta entre los centros operativos y los trenes con una latencia mínima y una alta precisión.

Las antenas ferroviarias también son muy útiles para la communicación entre la tripulación del tren. Otra aplicación principal de las antenas ferroviarias es la seguridad y la vigilancia. Los datos en tiempo real captados por cámaras o dispositivos de vigilancia se transfieren a los centros operativos en tiempo real para su control. Las antenas ferroviarias son cruciales aquí para recibir datos con eficacia y alta resolución. Al supervisar los datos sobre velocidad, atención del operador y rendimiento de frenos y motores y transferirlos en tiempo real a los centros operativos, las antenas ferroviarias pueden ayudar a prevenir accidentes ferroviarios. Esto es importante para garantizar la seguridad de los pasajeros. Las antenas ferroviarias internas que se fijan dentro de los trenes se utilizan para establecer una red inalámbrica para los pasajeros a bordo. Estas antenas ferroviarias internas son importantes para la distribución WiFi a los pasajeros, los sistemas internos de communicación y los sistemas de entretenimiento a bordo.

Ventajas de las antenas ferroviarias

Las antenas ferroviarias son extremadamente útiles en muchos aspectos de la industria ferroviaria. Desempeñan un papel fundamental a la hora de garantizar una communicación adecuada entre los trenes, los centros de operaciones, las estaciones, la tripulación y los pasajeros. El buen funcionamiento de todo el sistema ferroviario depende en gran medida del rendimiento de las antenas ferroviarias. Las antenas ferroviarias también son beneficiosas en términos de seguridad y protección de los pasajeros. Contar con sistemas de cámaras de vigilancia en tiempo real ayudará a realizar un seguimiento adecuado y a minimizar las actividades fraudulentas, los robos, etc. Las antenas ferroviarias también son útiles para establecer redes inalámbricas dentro de los trenes para que los pasajeros de a bordo permanezcan conectados.

Casos prácticos

Las antenas de raíl se han utilizado para diversas aplicaciones. A continuación se describen algunos escenarios reales y casos de uso de las antenas de raíl.

El proyecto Ferrovie del Gargano demuestra el uso de una red inalámbrica dedicada en tierra para proporcionar WiFi a bordo en zonas con cobertura LTE de radio móvil limitada o inexistente. En este proyecto, la red WiFi a bordo se estableció utilizando dos radios Fluidmesh FM4200 MOBI por tren conectadas con antenas de techo MIMO 2×2 de alta ganancia. Las 5 estaciones base Wi-Fi GHz se colocaron a intervalos de 5 km a lo largo de las vías, proporcionando una cobertura del 100%. Esta configuración fue capaz de proporcionar 1 GB de ancho de banda utilizable a trenes que viajaban a 250 mph.

Como ya se ha dicho, las antenas ferroviarias son muy útiles para garantizar la seguridad de los pasajeros e investigar incidentes. El sistema ferroviario Regina Transit ha experimentado una reducción de las agresiones y los delitos desde que instaló varias cámaras de vídeo y sistemas de vigilancia como parte de un programa piloto en 2012. Este tipo de videovigilancia y control en tiempo real también es útil para minimizar las falsas reclamaciones por lesiones y ofrece protección frente a litigios. También ha habido casos en los que se han producido accidentes e incidentes de seguridad debido a la falta de antenas ferroviarias. El incidente del 12 de mayo de 2015 en Filadelfia, el accidente de Amtrak en el que murieron 8 pasajeros y miembros de la tripulación podría haberse evitado si se hubiera instalado un PTC adecuado con antenas ferroviarias fiables. El tren que viajaba a 102 mph en una zona de 50 mph de vías curvas descarriló. Un seguimiento eficaz en tiempo real de la velocidad y la ubicación podría haber permitido el control automático del tren y haber limitado la velocidad del tren de Amtrak antes de que llegara a la curva.

Chelton ha diseñado y fabricado antenas para Thales que se utilizarán en el tramo 2 del proyecto Channel Tunnel Rail Link (CTRL), entre Fawkham Junction (Kent) y la estación internacional londinense de St Pancras. Este tramo incluía puentes, túneles y estructuras a lo largo de la ruta. Dado que 25% del trayecto discurre por túneles y los trenes circulan a velocidades de hasta 240 km/h, era necesario utilizar antenas ferroviarias adecuadas. Las antenas utilizadas tenían que soportar y absorber las vibraciones causadas por la velocidad del viento de los trenes en los túneles. Por lo tanto, las antenas tenían que ser resistentes, fiables, tener poca carga aerodinámica y cumplir los requisitos de radiofrecuencia. Las antenas utilizadas también tenían que ser discretas en apariencia para fundirse con el fondo y no reducir el aspecto estético. Las antenas debían tener niveles de potencia que cubrieran las frecuencias de GSM-R, Cab Secure Radio y los servicios de los bomberos de Londres. Se diseñó una antena especial de panel delgado para apoyar el sistema de los servicios de emergencia en el túnel de Londres y las rutas de evacuación de emergencia.

Impacto en la industria ferroviaria

Con la creciente atención prestada a la modernización de los ferrocarriles y a los sistemas de transporte inteligentes, las antenas ferroviarias tendrán un gran impacto en la industria ferroviaria. Además, con la creciente necesidad de redes ferroviarias de alta velocidad, la exigencia de sistemas precisos de seguimiento y control de trenes va de la mano. Para facilitar la communicación fiable, la seguridad y la mejora de las necesidades operativas, las antenas ferroviarias serán un componente crucial. Las antenas ferroviarias tendrán un gran impacto en la industria ferroviaria en todos los aspectos, incluida la communicación por radio entre los trenes en movimiento, los centros de operaciones y las estaciones, garantizando conexiones de datos inalámbricas seguras, implementando sistemas de seguimiento y navegación adecuados, instalando indicadores ferroviarios estables e implementando sistemas de red inalámbrica de uso interno para pasajeros. Con el avance de tecnologías como 5G, navegación por satélite y dispositivos IoT y la tendencia creciente de la digitalización del sector del transporte, el impacto de las antenas ferroviarias en la industria ferroviaria crecerá aún más. El mercado de antenas ferroviarias también se expandirá en el futuro con el impacto masivo esperado que las antenas ferroviarias tienen en la industria ferroviaria.

Conclusión

Las antenas ferroviarias son un elemento crucial de los sistemas ferroviarios modernos. Las antenas ferroviarias se utilizan en varios aspectos de la industria ferroviaria. Esto incluye el seguimiento y la supervisión en tiempo real, la navegación precisa y el control de velocidad, la videovigilancia, la garantía de la seguridad de los pasajeros, los sistemas de communicación de la tripulación del tren, la red WiFi a bordo para pasajeros, etc. Con el avance de tecnologías modernas como 5G e IoT y el creciente énfasis en la construcción de sistemas de transporte inteligentes, el impacto de las antenas ferroviarias será aún mayor en el futuro.