O que é uma antena de carril? O guia completo

Com o avanço da tecnologia e o ritmo acelerado dos estilos de vida modernos, a indústria ferroviária também está a ficar cada vez mais avançada e a avançar para sistemas ferroviários inteligentes. As antenas ferroviárias tornaram-se uma necessidade nos sistemas ferroviários actuais para uma comunicação eficiente e fiável. Este artigo apresenta uma panorâmica completa das antenas ferroviárias, discutindo a sua conceção, funcionalidade, aplicações, vantagens e o seu impacto na indústria ferroviária, ao mesmo tempo que analisa alguns casos de estudo reais.

Introdução às antenas de carril

A comunicação co1TP15 fiável e eficiente é uma necessidade absoluta para o funcionamento suave e estável da maioria dos sistemas ferroviários modernos. Com o elevado número de componentes correlacionados num sistema ferroviário, tais como sistemas de sinalização, sistemas de alarme, bilhética, videovigilância, gestão de tráfego, etc., é crucial implementar uma solução de comunicação co1TP15 robusta. A falta de uma comunicação co1TP15 adequada num sistema ferroviário pode resultar em muitos problemas, incluindo riscos nas operações, segurança e aspectos de segurança.

As antenas de carris desempenham um papel fundamental em todos estes sistemas de comunicação comm dos caminhos-de-ferro. São os principais componentes dos sistemas de comunicação co1TP15 e o desempenho de toda a instalação pode depender muito do desempenho da antena. As antenas ferroviárias são especificamente concebidas para várias aplicações de communicação ferroviária, tais como antenas omnidireccionais de telhado para communicação entre comboios em movimento, centros operacionais e estações, bem como antenas internas para WiFi dentro das carruagens e antenas multipolarizadas. Nos sistemas ferroviários, as antenas são principalmente utilizadas nos indicadores ferroviários, na monitorização, na navegação e nos sistemas de comunicação com os passageiros.

Definição básica de antenas de carril

As antenas ferroviárias são dispositivos utilizados pela indústria ferroviária para obter um ambiente conectado, tanto para os passageiros como para as tarefas operacionais. O tipo de antena ferroviária mais necessário é a antena montada no tejadilho, que é um componente extremamente importante nos comboios. É essencial para a communicar com outros comboios em andamento e estações ferroviárias, bem como com os centros operacionais, orientando e fornecendo os sinais necessários aos maquinistas e passageiros.

As antenas de carril funcionam de forma semelhante a qualquer outra antena. Uma antena de carril transmissora irradia uma onda electromagnética, que pode induzir uma corrente eléctrica num condutor próximo. Numa antena de carril recetora, o campo eletromagnético aplicado é distribuído ao longo de todo o comprimento da antena para receber o sinal. As antenas de carril são normalmente colocadas o mais alto possível para minimizar a obstrução de quaisquer outros sinais.

Conceção e estrutura

Ao conceber uma antena de carril, é necessário ter em conta as limitações de dimensão física do tejadilho de um comboio. O espaço entre as dimensões exteriores do comboio e o gabarito máximo permitido é limitado. Por conseguinte, ao conceber uma antena de carris, esta deve ser tão pequena quanto possível, sem comprometer o desempenho ou a funcionalidade da antena. Em geral, as antenas de carris têm cerca de 40mm a 80mm de altura e são construídas para funcionar com diferentes sistemas de comunicação, como GSM-R, UMTS, LTE, LTE MIMO, WiFi 2.4/5GHz, etc.

Normalmente, as antenas omnidireccionais são concebidas para utilização em comboios, uma vez que as estações de comboios, os centros de operação e outros comboios em movimento podem estar em qualquer direção e precisam de se comunicar eficientemente. O plano de terra de uma antena de carril deve ser, idealmente, uma folha de metal grande, plana e horizontal situada acima da altura de qualquer outro objeto no topo do comboio. As antenas de carris devem ser colocadas o mais longe possível de obstruções nos tectos dos comboios, como os aparelhos de ar condicionado, uma vez que estes podem degradar consideravelmente o desempenho da antena. Outro requisito importante na conceção de antenas ferroviárias é garantir que sejam resistentes mesmo a condições climatéricas adversas, uma vez que estarão regularmente sujeitas a ventos fortes, temperaturas elevadas, muito desgaste, etc.

Tipos de antenas de carril

No que respeita às antenas ferroviárias, estão disponíveis muitos tipos diferentes de antenas. Com base no caso de utilização, podem ser divididas principalmente em três categorias: as antenas montadas nos telhados dos comboios, as antenas no interior dos comboios e as antenas nas estações ferroviárias.

As antenas montadas nos tectos dos comboios são normalmente omnidireccionais ou bidireccionais. As antenas ferroviárias omnidireccionais irradiam sinais uniformemente em todas as direcções. Proporcionam uma cobertura abrangente em torno do comboio. Por conseguinte, são uma solução útil e versátil para todos os requisitos gerais de comunicação nos comboios, como o fornecimento de informações de localização em tempo real, a transferência e receção de informações operacionais, o seguimento, a vigilância, etc. As antenas bidireccionais para carris oferecem uma cobertura da frente para trás ou de um lado para o outro.

Estas antenas ferroviárias combinam normalmente várias tecnologias de comunicação para satisfazer os requisitos exclusivos dos sistemas ferroviários. Assim, ao considerar os tipos de antenas ferroviárias, existem antenas de rede WiFi e celular, antenas GPS, antenas multipolarizadas, antenas MIMO, etc, e antenas que são compatíveis com várias destas tecnologias em simultâneo.

As antenas utilizadas nas estações ferroviárias podem ser antenas direcionais ou omnidireccionais. As antenas direcionais irradiam sinais numa única direção. Podem ser úteis para proporcionar maior ganho para áreas de cobertura específicas. São ideais para a comunicação na via para enviar e receber sinais, informações de localização, etc. de forma eficiente. As antenas omnidireccionais baseadas nas estações ferroviárias proporcionam uma cobertura mais ampla e são, por isso, ideais para comunicações de controlo dos comboios, sistemas de informação dos passageiros e actividades de intercâmbio de dados entre estações e comboios. As antenas internas dos caminhos-de-ferro são geralmente utilizadas para estabelecer uma rede sem fios para fornecer conetividade à Internet aos passageiros e ao pessoal de bordo.

Especificações técnicas

As antenas ferroviárias têm de funcionar de forma fiável enquanto o comboio viaja através de diversos ambientes de rede. Por conseguinte, as antenas ferroviárias são concebidas para serem compatíveis com várias tecnologias, como 4G e outras redes celulares, GPS, WiFi, etc. Atualmente, as antenas ferroviárias suportam geralmente várias redes celulares, incluindo 5G, 4G e LTE, e funcionam tanto em espectros de frequência licenciados como não licenciados. As antenas ferroviárias suportadas por WiFi, normalmente antenas internas de comboios, funcionam nas gamas de frequência de 2,4 GHz e 5GHz.

Estas antenas utilizam tecnologias modernas como MIMO e conceitos de formação de feixes. A principal razão para utilizar o conceito MIMO em antenas ferroviárias deve-se à natureza variável do sinal e à sua atenuação em função da localização geográfica e do ambiente de funcionamento. As flutuações frequentes dos parâmetros do sinal em função dos factores ambientais resultam em alterações dos rácios sinal/ruído e têm impacto na taxa global de erro dos dados. Utilizando MIMO em antenas de carril, várias antenas transmitem e recebem dados em simultâneo, melhorando a fiabilidade do sinal e reduzindo as interferências. Assim, a taxa de erro de dados será minimizada e o impacto no desempenho geral será mínimo devido às variações nos ambientes operacionais. A formação de feixes é outra tecnologia popular de processamento de sinais que é utilizada em antenas de carris. Na formação de feixes, os sinais em determinados ângulos são sujeitos a interferência construtiva, enquanto outros são sujeitos a interferência destrutiva, através da combinação de elementos de antena numa matriz em fase disposta num padrão específico. A formação de feixes é utilizada tanto nas extremidades de transmissão como de receção das ligações de comunicação nos sistemas ferroviários para melhorar o alcance, a capacidade e o desempenho global.

Outras tecnologias modernas, como a comunicação ótica de espaço livre, os métodos de codificação de canais e os métodos de transmissão adaptativos, podem ser utilizadas em antenas de carris. Todas estas tecnologias são utilizadas nas antenas de carris para melhorar o seu desempenho. As antenas ferroviárias suportam GPS para permitir uma localização precisa. Uma vez que estas antenas têm de fornecer sinais precisos com o mínimo de erros de dados durante o movimento a alta velocidade, são utilizadas antenas com elevado ganho e amplificadores incorporados para as antenas ferroviárias. As antenas de carris com suporte GPS funcionam nas frequências L1 (1575,42 MHz) e L2 (1227,60 MHz). As antenas ferroviárias são construídas commapenas para cumprir com as unidades PTC (Controlo Positivo de Comboios) que funcionam na atribuição de frequências 220 MHz para comunicações críticas para a segurança. Utilizam múltiplas alimentações de antena e ligações coaxiais para suporte simultâneo de frequências e para terem redundância.

Aplicações em sistemas ferroviários

A comunicação é vital nos sistemas ferroviários. As antenas desempenham um papel fundamental na manutenção de uma comunicação estável e fiável entre todas as partes interessadas, como passageiros, operadores de comboios, engenheiros, pessoal das estações ferroviárias, etc. As antenas ferroviárias são utilizadas para muitos fins nos sistemas ferroviários. As antenas ferroviárias são utilizadas para a monitorização dos comboios em tempo real. Com o apoio do GPS e da conetividade 4G ou 5G rápida nas antenas ferroviárias modernas, é possível transferir dados entre os centros operacionais e os comboios com uma latência mínima e elevada precisão.

As antenas ferroviárias são também extremamente úteis para a comunicação entre a tripulação do comboio. Outra aplicação principal das antenas ferroviárias é a segurança e a vigilância. Os dados em tempo real captados pelas câmaras ou dispositivos de vigilância são transferidos para os centros operacionais em tempo real para fins de monitorização. As antenas ferroviárias são cruciais neste caso para receber dados com eficiência e alta resolução. Ao monitorizarem dados sobre a velocidade, a consciência do operador e o desempenho dos travões e dos motores e ao transferi-los em tempo real para os centros operacionais, as antenas ferroviárias podem ajudar a evitar acidentes ferroviários. Isto é importante para garantir a segurança dos passageiros. As antenas internas dos carris, que são fixadas no interior dos comboios, são utilizadas para estabelecer uma rede sem fios para os passageiros a bordo. Estas antenas internas de carris são importantes para a distribuição de WiFi aos passageiros, para os sistemas de comunicação interna e para os sistemas de entretenimento a bordo.

Vantagens das antenas de carril

As antenas ferroviárias são extremamente úteis em muitos aspectos da indústria ferroviária. Desempenham um papel fundamental para assegurar uma comunicação adequada entre os comboios, os centros de exploração, as estações ferroviárias, a tripulação e os passageiros a bordo. O bom funcionamento de todo o sistema ferroviário depende em grande medida do desempenho das antenas ferroviárias. As antenas ferroviárias são também benéficas em termos de segurança e proteção dos passageiros. A existência de sistemas de câmaras de vigilância em tempo real permite um controlo adequado e minimiza as actividades de fraude, os roubos, etc. As antenas ferroviárias são igualmente úteis para estabelecer redes sem fios no interior dos comboios para que os passageiros a bordo se mantenham ligados.

Estudos de caso

As antenas de carris têm sido utilizadas para várias aplicações. De seguida, são apresentados alguns cenários reais e casos de utilização de antenas de carril.

O projeto Ferrovie del Gargano demonstra a utilização de uma rede sem fios dedicada ao longo da via para fornecer WiFi a bordo em áreas com cobertura LTE de rádio móvel limitada ou inexistente. Neste projeto, a rede WiFi a bordo foi estabelecida utilizando dois rádios Fluidmesh FM4200 MOBI por comboio ligados a antenas de telhado 2×2 MIMO de elevado ganho. As 5 estações de base Wi-Fi GHz foram posicionadas em intervalos de 5 km ao longo da via, proporcionando uma cobertura de 100%. Esta configuração foi capaz de fornecer 1 GB de largura de banda utilizável a comboios que se deslocam até 250 mph.

Tal como referido, as antenas ferroviárias são extremamente úteis para garantir a segurança dos passageiros e para a investigação de incidentes. O sistema ferroviário Regina Transit registou uma redução dos assaltos e crimes desde a instalação de várias câmaras de vídeo e sistemas de monitorização no âmbito de um programa-piloto em 2012. A videovigilância e a monitorização em tempo real também são úteis para minimizar as falsas alegações de ferimentos e oferecem proteção contra litígios. Também houve casos em que ocorreram acidentes e incidentes de segurança devido à falta de antenas de carris. O incidente de 12 de maio de 2015 em Filadélfia, o acidente da Amtrak que matou 8 passageiros e membros da tripulação, poderia ter sido evitado se tivesse sido instalado um PTC adequado com antenas ferroviárias fiáveis. O comboio que circulava a 102 mph numa zona de 50 mph de vias curvas descarrilou. Um acompanhamento eficaz da velocidade e da localização em tempo real poderia ter permitido o controlo automático dos comboios e limitado a velocidade do comboio da Amtrak antes de este chegar à curva.

A Chelton concebeu e fabricou antenas para a Thales para serem utilizadas na secção 2 do projeto Channel Tunnel Rail Link (CTRL), entre Fawkham Junction em Kent e a Estação Internacional de Londres St Pancras. Esta secção incluía pontes, túneis e estruturas ao longo do percurso. Com 25% do percurso a decorrer dentro de túneis e com comboios a viajar a velocidades até 150 mph, era necessário utilizar antenas ferroviárias adequadas no projeto. As antenas utilizadas tinham de suportar e absorver as vibrações causadas pela velocidade do vento dos comboios nos túneis. Por conseguinte, as antenas tinham de ser resistentes, fiáveis, ter uma carga de vento reduzida e cumprir os requisitos de RF. As antenas utilizadas também tinham de ter um aspeto discreto para se fundirem com o fundo, de modo a não reduzir o aspeto estético. As antenas tinham de ter níveis de potência que cobrissem as frequências do GSM-R, do Cab Secure Radio e dos serviços da Brigada de Incêndios de Londres. Foi concebida uma antena especial de painel fino para apoiar o sistema de serviços de emergência no túnel de Londres e as rotas de evacuação de emergência.

Impacto no sector ferroviário

Com a crescente ênfase na modernização dos caminhos-de-ferro e nos sistemas de transporte inteligentes, as antenas ferroviárias terão um grande impacto na indústria ferroviária. Além disso, com a necessidade crescente de redes ferroviárias de alta velocidade, a exigência de sistemas precisos de seguimento e controlo dos comboios é indissociável. Para facilitar a comunicação fiável, a segurança e a melhoria das operações, as antenas ferroviárias serão um componente crucial. As antenas ferroviárias terão um enorme impacto na indústria ferroviária em todos os aspetos, incluindo a comunicação por rádio entre comboios em movimento, centros operacionais e estações, garantindo ligações de dados sem fios seguras, implementando sistemas de monitorização e navegação adequados, instalando indicadores ferroviários estáveis e implementando sistemas de rede sem fios para uso interno dos passageiros. Com o avanço de tecnologias como 5G, navegação por satélite e dispositivos IoT e a tendência crescente de digitalização do sector dos transportes, o impacto das antenas ferroviárias na indústria ferroviária continuará a crescer. O mercado de antenas ferroviárias também se expandirá no futuro com o impacto massivo esperado que as antenas ferroviárias têm na indústria ferroviária.

Conclusão

As antenas de carris são um elemento crucial nos sistemas ferroviários modernos. As antenas ferroviárias são utilizadas em vários aspectos da indústria ferroviária. Estes incluem o rastreio e a monitorização em tempo real, a navegação precisa e o controlo da velocidade, a videovigilância, a garantia da segurança dos passageiros, os sistemas de comunicação da tripulação dos comboios, a rede WiFi a bordo para os passageiros, etc. Com o avanço das tecnologias modernas, como a 5G e a IoT, e a crescente ênfase na construção de sistemas de transporte inteligentes, o impacto das antenas ferroviárias será ainda maior no futuro.