Che cos'è un'antenna su rotaia? La guida completa

Con l'avanzamento della tecnologia e il ritmo frenetico degli stili di vita moderni, anche l'industria ferroviaria sta diventando sempre più avanzata e si sta muovendo verso sistemi ferroviari intelligenti. Le antenne ferroviarie sono diventate una necessità nei sistemi ferroviari odierni per una communicazione efficiente e affidabile. Questo articolo fornisce una panoramica approfondita sulle antenne ferroviarie, discutendone il design, la funzionalità, le applicazioni, i vantaggi e l'impatto sul settore ferroviario, esaminando anche alcuni casi di studio reali.

Introduzione alle antenne ferroviarie

Una comunicazione co1TP15 affidabile ed efficiente è una necessità assoluta per il funzionamento regolare e stabile della maggior parte dei sistemi ferroviari moderni. Dato l'elevato numero di componenti correlati in un sistema ferroviario, come i sistemi di segnalazione, i sistemi di allarme, la biglietteria, la videosorveglianza, la gestione del traffico e così via, è fondamentale implementare una solida soluzione di communicazione. La mancanza di una corretta communicazione in un sistema ferroviario può causare molti problemi, tra cui rischi nelle operazioni, nella sicurezza e negli aspetti legati alla protezione.

Le antenne ferroviarie svolgono un ruolo fondamentale in tutti questi sistemi di communicazione ferroviaria. Sono i componenti principali dei sistemi di comunicazione co1TP15 e le prestazioni dell'intera configurazione possono dipendere fortemente dalle prestazioni dell'antenna. Le antenne ferroviarie sono progettate specificamente per varie applicazioni di communicazione ferroviaria, come le antenne omnidirezionali su tetto per la communicazione tra treni in movimento, centri operativi e stazioni, nonché antenne interne per il WiFi all'interno delle carrozze e antenne multipolarizzate. Nei sistemi ferroviari, le antenne sono utilizzate principalmente negli indicatori ferroviari, nel monitoraggio, nella navigazione e nei sistemi di communicazione per i passeggeri.

Definizione di base delle antenne su rotaia

Le antenne ferroviarie sono dispositivi utilizzati dall'industria ferroviaria per ottenere un ambiente connesso sia per i passeggeri che per le attività operative. Il tipo di antenna ferroviaria più richiesto è l'antenna montata sul tetto, che è un componente estremamente cruciale sui treni. È essenziale per la communicazione con altri treni in corso, con le stazioni ferroviarie e con i centri operativi, guidando e fornendo i segnali necessari ai macchinisti e ai passeggeri.

Le antenne ferroviarie funzionano in modo simile a qualsiasi altra antenna. Un'antenna ferroviaria trasmittente irradia un'onda elettromagnetica che può indurre una corrente elettrica in un conduttore vicino. In un'antenna ferroviaria ricevente, il campo elettromagnetico applicato viene distribuito sull'intera lunghezza dell'antenna per ricevere il segnale. Le antenne ferroviarie sono in genere posizionate il più in alto possibile per ridurre al minimo l'ostruzione da parte di altri segnali.

Design e struttura

Quando si progetta un'antenna ferroviaria, è necessario tenere conto dei vincoli fisici legati alle dimensioni del tetto del treno. Lo spazio tra le dimensioni esterne del treno e lo scartamento massimo consentito è limitato. Pertanto, quando si progetta un'antenna ferroviaria, questa deve essere il più piccola possibile, senza compromettere le prestazioni o la funzionalità dell'antenna. In genere, le antenne ferroviarie hanno un'altezza compresa tra 40mm e 80mm e sono costruite per funzionare con diversi sistemi di communicazione come GSM-R, UMTS, LTE, LTE MIMO, WiFi 2.4/5GHz, ecc.

In genere, le antenne omnidirezionali sono progettate per l'uso sui treni, poiché le stazioni ferroviarie, i centri operativi e gli altri treni in movimento possono trovarsi in qualsiasi direzione e devono communicare in modo efficiente. Il piano di massa di un'antenna su rotaia dovrebbe essere idealmente una grande lastra di metallo piatta e orizzontale, situata al di sopra dell'altezza di qualsiasi altro oggetto in cima al treno. Le antenne ferroviarie devono essere posizionate il più lontano possibile dalle ostruzioni presenti sui tetti dei treni, come ad esempio gli impianti di condizionamento dell'aria, in quanto possono degradare notevolmente le prestazioni dell'antenna. Un altro requisito fondamentale nella progettazione delle antenne ferroviarie è quello di garantire che siano resistenti anche alle condizioni atmosferiche più avverse, in quanto sarebbero regolarmente soggette a forti venti, alte temperature, usura, ecc.

Tipi di antenne su rotaia

Quando si parla di antenne ferroviarie, sono disponibili molti tipi diversi di antenne. In base al caso d'uso, possono essere suddivise principalmente in tre categorie: antenne montate sui tetti dei treni, antenne all'interno dei treni e antenne nelle stazioni ferroviarie.

Le antenne montate sui tetti dei treni sono tipicamente omnidirezionali o bidirezionali. Le antenne ferroviarie omnidirezionali irradiano i segnali in modo uniforme in tutte le direzioni. Forniscono una copertura completa intorno al treno. Sono quindi una soluzione utile e versatile per tutti i requisiti generali di communicazione nei treni, come la fornitura di dettagli sulla posizione in tempo reale, il trasferimento e la ricezione di informazioni operative, la localizzazione, la sorveglianza, ecc. Le antenne ferroviarie bidirezionali offrono una copertura da fronte a retro o da lato a lato.

Queste antenne ferroviarie di solito combinano più tecnologie di communicazione per soddisfare i requisiti unici dei sistemi ferroviari. Pertanto, se si considerano i tipi di antenne ferroviarie, vi sono antenne per reti WiFi e cellulari, antenne GPS, antenne multipolarizzate, antenne MIMO, ecc, e antenne compatibili con più di queste tecnologie contemporaneamente.

Le antenne utilizzate nelle stazioni ferroviarie possono essere direzionali o omnidirezionali. Le antenne direzionali irradiano i segnali in un'unica direzione. Possono essere utili per fornire un guadagno maggiore per aree di copertura specifiche. Sono ideali per la communicazione a terra, per inviare e ricevere segnali, informazioni di tracciamento, ecc. in modo efficiente. Le antenne omnidirezionali basate sulle stazioni ferroviarie forniscono una copertura più ampia e sono quindi ideali per le commomunicazioni di controllo dei treni, i sistemi di informazione per i passeggeri e le attività di scambio di dati da stazione a treno. Le antenne ferroviarie interne sono generalmente utilizzate per stabilire una rete wireless e fornire connettività Internet ai passeggeri e al personale di bordo.

Specifiche tecniche

Le antenne ferroviarie devono funzionare in modo affidabile mentre il treno viaggia attraverso diversi ambienti di rete. Per questo motivo, le antenne ferroviarie sono progettate per essere compatibili con diverse tecnologie come le reti cellulari 4G e altre, il GPS, il WiFi ecc. Le antenne ferroviarie oggi supportano generalmente più reti cellulari, tra cui 5G, 4G e LTE, e funzionano sia nello spettro di frequenza con licenza che in quello senza licenza. Le antenne ferroviarie supportate dal WiFi, in genere le antenne interne dei treni, operano in entrambe le gamme di frequenza 2,4Ghz e 5GHz.

Queste antenne utilizzano tecnologie moderne come MIMO e concetti di beamforming. La ragione principale dell'utilizzo del concetto MIMO nelle antenne ferroviarie è dovuta alla natura variabile del segnale e alla sua attenuazione a seconda della posizione geografica e dell'ambiente operativo. Le frequenti fluttuazioni dei parametri del segnale, che dipendono dai fattori ambientali, determinano variazioni nel rapporto segnale/rumore e incidono sul tasso di errore complessivo dei dati. Utilizzando il sistema MIMO nelle antenne ferroviarie, più antenne trasmettono e ricevono dati contemporaneamente, migliorando l'affidabilità del segnale e riducendo le interferenze. In questo modo il tasso di errore dei dati sarà ridotto al minimo e l'impatto sulle prestazioni complessive sarà minimo a causa delle variazioni negli ambienti operativi. La formazione del fascio è un'altra tecnologia di elaborazione del segnale molto diffusa e utilizzata nelle antenne ferroviarie. Nel beamforming, i segnali a particolari angoli sono soggetti a interferenze costruttive mentre altri sono soggetti a interferenze distruttive, combinando gli elementi dell'antenna in un array di fase disposto secondo uno schema specifico. La formazione del fascio viene utilizzata sia all'estremità di trasmissione che di ricezione dei collegamenti di communicazione nei sistemi ferroviari per migliorare la portata, la capacità e le prestazioni complessive.

Altre tecnologie moderne, come la communicazione ottica nello spazio libero, i metodi di codifica dei canali e i metodi di trasmissione adattativi, possono essere utilizzate nelle antenne ferroviarie. Tutte queste tecnologie sono utilizzate nelle antenne ferroviarie per migliorarne le prestazioni. Le antenne ferroviarie supportano il GPS per consentire una localizzazione precisa. Poiché queste antenne devono fornire segnali precisi con errori di dati minimi durante gli spostamenti ad alta velocità, vengono utilizzate antenne con guadagno elevato e amplificatori integrati. Le antenne ferroviarie supportate dal GPS operano sulle frequenze L1 (1575,42 MHz) e L2 (1227,60 MHz). Le antenne ferroviarie sono costruite esclusivamente per essere conformi alle unità PTC (Positive Train Control) che operano sulla frequenza 220 MHz assegnata alle comunicazioni critiche per la sicurezza. Utilizzano alimentazioni multiple dell'antenna e connessioni coassiali per il supporto simultaneo delle frequenze e per la ridondanza.

Applicazioni nei sistemi ferroviari

La communicazione è fondamentale nei sistemi ferroviari. Le antenne svolgono un ruolo fondamentale nel mantenere stabile e affidabile la communicazione tra tutte le parti interessate, come passeggeri, operatori ferroviari, ingegneri, personale delle stazioni ferroviarie, ecc. Le antenne ferroviarie sono utilizzate per molti scopi nei sistemi ferroviari. Le antenne ferroviarie sono utilizzate per il monitoraggio dei treni in tempo reale. Con il supporto del GPS e della connettività veloce 4G o 5G nelle moderne antenne ferroviarie, è possibile trasferire i dati avanti e indietro tra i centri operativi e i treni con una latenza minima e un'elevata precisione.

Le antenne ferroviarie sono estremamente utili anche per la communicazione tra il personale del treno. Un'altra applicazione principale delle antenne ferroviarie è la sicurezza e la sorveglianza. I dati acquisiti in tempo reale dalle telecamere o dai dispositivi di sorveglianza vengono trasferiti in tempo reale ai centri operativi a scopo di monitoraggio. Le antenne ferroviarie sono fondamentali in questo caso per ricevere i dati con efficienza e alta risoluzione. Monitorando i dati relativi alla velocità, alla consapevolezza dell'operatore e alle prestazioni di freni e motori e trasferendoli in tempo reale ai centri operativi, le antenne ferroviarie possono aiutare a prevenire gli incidenti ferroviari. Questo è importante per garantire la sicurezza dei passeggeri. Le antenne ferroviarie interne, fissate all'interno dei treni, sono utilizzate per stabilire una rete wireless per i passeggeri a bordo. Queste antenne ferroviarie interne sono importanti per la distribuzione del WiFi ai passeggeri, per i sistemi di comunicazione interna e per i sistemi di intrattenimento a bordo.

Vantaggi delle antenne su rotaia

Le antenne ferroviarie sono estremamente utili in molti aspetti dell'industria ferroviaria. Svolgono un ruolo fondamentale nel garantire la corretta communicazione tra i treni, i centri operativi, le stazioni, il personale ferroviario e i passeggeri a bordo. Il buon funzionamento dell'intero sistema ferroviario dipende in larga misura dalle prestazioni delle antenne ferroviarie. Le antenne ferroviarie sono utili anche in termini di sicurezza e protezione dei passeggeri. Disporre di sistemi di telecamere di sorveglianza in tempo reale aiuta a monitorare correttamente e a ridurre al minimo le attività di frode, i furti, ecc. Le antenne ferroviarie sono utili anche per creare reti wireless all'interno dei treni per consentire ai passeggeri di rimanere connessi.

Casi di studio

Le antenne su rotaia sono state utilizzate per diverse applicazioni. Di seguito sono illustrati alcuni scenari e casi d'uso reali delle antenne su rotaia.

Il progetto delle Ferrovie del Gargano dimostra l'utilizzo di una rete wireless dedicata a terra per fornire il WiFi a bordo in aree con copertura radio mobile LTE limitata o assente. In questo progetto, la rete WiFi di bordo è stata realizzata utilizzando due radio Fluidmesh FM4200 MOBI per treno collegate con antenne da tetto 2×2 MIMO ad alto guadagno. Le 5 stazioni base Wi-Fi GHz sono state posizionate a intervalli di 5 km lungo i binari, garantendo una copertura del 100%. Questa configurazione è stata in grado di fornire 1 GB di larghezza di banda utilizzabile ai treni che viaggiano fino a 250 miglia orarie.

Come già detto, le antenne ferroviarie sono estremamente utili per garantire la sicurezza dei passeggeri e per le indagini sugli incidenti. Il sistema ferroviario Regina Transit ha registrato una riduzione delle aggressioni e dei crimini dopo l'installazione di diverse telecamere e sistemi di monitoraggio nell'ambito di un programma pilota nel 2012. La videosorveglianza e il monitoraggio in tempo reale sono utili anche per ridurre al minimo le richieste di risarcimento per false lesioni e per tutelarsi dalle controversie legali. Ci sono stati anche casi in cui si sono verificati incidenti e problemi di sicurezza a causa della mancanza di antenne ferroviarie. L'incidente del 12 maggio 2015 a Philadelphia, che ha causato la morte di 8 passeggeri e membri dell'equipaggio dell'Amtrak, avrebbe potuto essere evitato se fosse stato predisposto un PTC adeguato con antenne ferroviarie affidabili. Il treno, che viaggiava a 102 miglia orarie in una zona di binari curvi a 50 miglia orarie, è deragliato. Un efficiente monitoraggio in tempo reale della velocità e della posizione avrebbe potuto consentire il controllo automatico del treno e limitare la velocità del treno Amtrak prima che raggiungesse la curva.

Chelton ha progettato e prodotto antenne per Thales da utilizzare nella sezione 2 del progetto Channel Tunnel Rail Link (CTRL), tra Fawkham Junction nel Kent e la stazione internazionale di Londra St Pancras. Questa sezione comprendeva ponti, gallerie e strutture lungo il percorso. Poiché 25% del percorso si snoda all'interno di gallerie e i treni viaggiano a velocità fino a 150 mph, il progetto richiedeva l'impiego di antenne ferroviarie adeguate. Le antenne utilizzate dovevano resistere e assorbire le vibrazioni causate dalla velocità del vento dei treni nelle gallerie. Le antenne dovevano quindi essere resistenti, affidabili, avere un basso carico di vento e soddisfare i requisiti RF. Le antenne utilizzate dovevano inoltre avere un aspetto discreto, in modo da confondersi con lo sfondo e non ridurre l'aspetto estetico. Le antenne dovevano avere livelli di potenza tali da coprire le frequenze del GSM-R, della Cab Secure Radio e dei servizi dei Vigili del Fuoco di Londra. È stata progettata una speciale antenna a pannello sottile per supportare il sistema di servizi di emergenza nel tunnel di Londra e le vie di evacuazione di emergenza.

Impatto sul settore ferroviario

Con la crescente attenzione all'ammodernamento delle ferrovie e ai sistemi di trasporto intelligenti, le antenne ferroviarie avranno un impatto importante sul settore ferroviario. Inoltre, con la crescente necessità di reti ferroviarie ad alta velocità, la richiesta di sistemi precisi di localizzazione e controllo dei treni va di pari passo. Per facilitare una comunicazione affidabile, la sicurezza e il miglioramento delle operazioni, le antenne ferroviarie saranno un componente fondamentale. Le antenne ferroviarie avranno un enorme impatto sul settore ferroviario in tutti i suoi aspetti, tra cui la communicazione radio tra treni in movimento, centri operativi e stazioni, la garanzia di connessioni dati wireless sicure, l'implementazione di sistemi di monitoraggio e navigazione adeguati, l'installazione di indicatori ferroviari stabili e l'implementazione di sistemi di rete wireless interni per i passeggeri. Con l'avanzamento di tecnologie come il 5G, la navigazione satellitare e i dispositivi IoT e la crescente tendenza alla digitalizzazione del settore dei trasporti, l'impatto delle antenne ferroviarie sull'industria ferroviaria crescerà ulteriormente. Il mercato delle antenne ferroviarie si espanderà anche in futuro, grazie all'impatto massiccio che le antenne ferroviarie avranno sull'industria ferroviaria.

Conclusione

Le antenne ferroviarie sono un elemento cruciale dei moderni sistemi ferroviari. Le antenne ferroviarie sono utilizzate in vari aspetti dell'industria ferroviaria. Tra questi, la localizzazione e il monitoraggio in tempo reale, la navigazione precisa e il controllo della velocità, la videosorveglianza, la garanzia della sicurezza dei passeggeri, i sistemi di communicazione del personale ferroviario, la rete WiFi di bordo per i passeggeri, ecc. Con l'avanzamento di tecnologie moderne come il 5G e l'IoT e la crescente enfasi sulla costruzione di sistemi di trasporto intelligenti, l'impatto delle antenne ferroviarie sarà ancora maggiore in futuro.