Wjazd do tunelu zwykle oznacza nagłą zmianę warunków odbioru. Sygnał stacji FM, który przed chwilą docierał do samochodowej anteny bez większych przeszkód, słabnie, zaczyna szumieć albo znika całkowicie. A jednak w wielu długich tunelach radio nadal gra, telefon zachowuje zasięg, a służby ratunkowe mogą rozmawiać przez radiotelefony. Nie jest to zasługa wyjątkowo silnego nadajnika stojącego na powierzchni.
Rozwiązaniem bywa kabel promieniujący, nazywany także kablem szczelinowym lub z angielskiego leaky feeder. Z wyglądu przypomina gruby przewód koncentryczny poprowadzony wzdłuż stropu albo ściany. W rzeczywistości działa jak bardzo długa antena: kontrolowanie wypuszcza sygnał radiowy na całej trasie, a w systemach dwukierunkowych potrafi również odebrać transmisję z urządzeń znajdujących się w tunelu.
Dlaczego zwykły sygnał radiowy znika pod ziemią?
Naziemny nadajnik radiowy i antena samochodowa muszą znaleźć się w warunkach pozwalających fali elektromagnetycznej dotrzeć od jednego punktu do drugiego. W otwartym terenie sygnał może rozchodzić się bezpośrednio, odbijać od zabudowy i uginać na przeszkodach. Po wjeździe pod ziemię sytuacja zmienia się gwałtownie. Gruba warstwa gruntu, zbrojony beton oraz metalowa infrastruktura mocno osłabiają fale, a zakręty tunelu odcinają prostą drogę od nadajnika.
Sam tunel może w pewnym zakresie zachowywać się jak nietypowy falowód, ale rezultat zależy od jego wymiarów, kształtu, częstotliwości, materiałów oraz obecności pojazdów. Odbicia potrafią tworzyć miejsca z dobrym sygnałem tuż obok obszarów niemal całkowicie martwych. Jedna antena przy wjeździe często wystarcza tylko na krótki i prosty odcinek. Im dłuższa, bardziej kręta i rozgałęziona budowla, tym trudniej uzyskać równomierne pokrycie.
Zwykły kabel zatrzymuje fale, a ten ma je wypuszczać
Typowy kabel koncentryczny ma żyłę środkową, izolację oraz metalowy ekran. Ekran chroni sygnał przed zakłóceniami i ogranicza jego ucieczkę na zewnątrz. W kablu promieniującym ekran wykonuje się inaczej: ma regularnie rozmieszczone szczeliny albo odpowiednio ukształtowane przerwy. Część energii elektromagnetycznej wydostaje się przez nie w kontrolowany sposób. Ten sam mechanizm pozwala sygnałowi z przenośnego radiotelefonu lub telefonu dostać się do kabla.
Tak powstaje antena rozciągnięta na setki metrów lub wiele kilometrów. Urządzenie znajdujące się w tunelu nie musi „widzieć” odległego nadajnika. Wystarczy, że znajduje się dostatecznie blisko przewodu biegnącego wzdłuż trasy. Zalecenie ITU-R M.1075 poświęcone systemom leaky feeder opisuje takie instalacje jako rozwiązanie dla lądowej łączności ruchomej i wskazuje możliwość sprzęgania ich zarówno z lokalnymi stacjami bazowymi, jak i z antenami odbierającymi sygnał spoza tunelu.
Skąd w kablu bierze się program radiowy?
Najpierw antena zamontowana na zewnątrz odbiera wybrane stacje FM. Sygnały są filtrowane, kontrolowane i wzmacniane, a następnie wprowadzane do instalacji tunelowej. W innych systemach źródłem może być bezpośrednie łącze od operatora, stacja bazowa służb albo urządzenie należące do zarządcy obiektu. Kabel nie tworzy programu i nie zamienia muzyki na inny format. Przenosi lub retransmituje sygnał w miejscu, do którego emisja z powierzchni nie dociera w użytecznej jakości.
Na długiej trasie występują straty, dlatego instalacja może zawierać wzmacniacze i punkty zasilania. Projektanci muszą dobrać ich rozmieszczenie tak, aby poziom sygnału nie był ani zbyt niski, ani przesadnie wysoki. Ważne jest też zachowanie odpowiednich odstępów między systemami, odporność na ogień, uszkodzenia mechaniczne i warunki panujące w tunelu. To infrastruktura działająca stale, a nie prowizoryczny przewód podłączony do domowego wzmacniacza.
Nie tylko muzyka dla kierowców
Radio FM dla podróżnych jest najbardziej zauważalną usługą, lecz nie zawsze najważniejszą. Kabel promieniujący może obsługiwać łączność techniczną, systemy kolejowe, radiotelefony służb, telefonię komórkową, transmisję danych i inne pasma, o ile cała instalacja została do tego zaprojektowana. W tunelu bazowym Gottharda zastosowano wielopasmowy system rozproszony i kable promieniujące do obsługi łączności kolejowej GSM-R, radiokomunikacji profesjonalnej oraz usług komórkowych. Opis producenta systemu, firmy CommScope, podkreśla znaczenie ciągłej komunikacji maszynistów z centrami sterowania.
Podobne rozwiązania są stosowane w kopalniach, metrze, tunelach drogowych, podziemnych zakładach i dużych obiektach technicznych. Ich wspólną cechą jest wydłużony, zamknięty kształt przestrzeni oraz potrzeba utrzymania łączności tam, gdzie sieć zwykłych anten dawałaby nierówny zasięg albo wymagała bardzo wielu punktów instalacyjnych.
Jak zarządca tunelu może przemówić przez radio?
Niektóre systemy umożliwiają nie tylko retransmisję programu, lecz również przerwanie go komunikatem bezpieczeństwa. Kierowca słuchający wybranej stacji może usłyszeć polecenie dotyczące wypadku, pożaru, zamkniętego pasa albo konieczności opuszczenia pojazdu. Taki komunikat powinien być zrozumiały niezależnie od tego, której z obsługiwanych stacji słucha odbiorca.
Podręcznik tuneli drogowych PIARC opisuje instalację retransmisyjną jako zestaw obejmujący między innymi antenę odbierającą programy z zewnątrz, urządzenia przetwarzające oraz elementy promieniujące w tunelu, takie jak kabel szczelinowy lub anteny. System wtrącania komunikatów musi współpracować z nagłośnieniem obiektu, aby dwa ostrzeżenia nie nakładały się na siebie i nie pogarszały zrozumiałości.
To wyjaśnia, dlaczego radio pozostaje ważnym kanałem bezpieczeństwa nawet w epoce smartfonów. Kierowca nie musi instalować aplikacji, mieć aktywnej transmisji danych ani patrzeć na ekran. Komunikat może dotrzeć przez urządzenie, które już działa w samochodzie i którego obsługa nie odrywa wzroku od drogi.
Kabel promieniujący a zwykłe anteny
Kabel nie jest jedynym sposobem zapewnienia zasięgu. W krótkim, prostym tunelu mogą wystarczyć anteny kierunkowe umieszczone przy portalach. W większych obiektach stosuje się też rozproszone systemy antenowe, światłowodowe połączenia z urządzeniami zdalnymi oraz punkty radiowe rozmieszczone w kolejnych sekcjach. Dobór technologii zależy od długości obiektu, jego geometrii, liczby pasm, wymaganej przepustowości i znaczenia łączności awaryjnej.
Kabel promieniujący ma jednak szczególną zaletę: rozprowadza sygnał wzdłuż tej samej drogi, którą poruszają się ludzie, pociągi lub samochody. Zamiast próbować oświetlić radiowo cały zakręcony korytarz z jednego punktu, tworzy lokalne pole na prawie całej długości przewodu. Cena tej równomierności to straty energii, konieczność stosowania wzmacniaczy oraz staranne utrzymanie instalacji.
Dlaczego czasem jedna stacja gra, a inna znika?
Obecność kabla nie oznacza automatycznie retransmisji całego pasma radiowego. Zarządca może wprowadzić do systemu tylko wybrane programy, częstotliwości służb i usługi operatorów. Odbiornik po wjeździe do tunelu nadal pokazuje tę samą częstotliwość FM, lecz słyszy sygnał dostarczony przez lokalną instalację. Stacja nieobecna w zestawie może osłabnąć tak samo jak w tunelu pozbawionym retransmisji.
Możliwe są też krótkie różnice poziomu dźwięku, opóźnienie albo moment przejścia pomiędzy sygnałem z nadajnika naziemnego a sygnałem tunelowym. Dobrze zaprojektowany system ogranicza te efekty, lecz radioodbiornik w ruchu musi poradzić sobie ze zmianą źródła i z odbiciami w nietypowym środowisku.
Długa antena ukryta na widoku
Kabel promieniujący jest znakomitym przykładem techniki radiowej, którą łatwo przeoczyć. Nie ma kształtu masztu ani charakterystycznych prętów anteny. Często wygląda jak jeden z wielu przewodów instalacyjnych biegnących pod sufitem. Różnica kryje się w konstrukcji ekranu i w całej aparaturze połączonej z przewodem.
Kiedy następnym razem radio nie zamilknie po wjeździe głęboko pod ziemię, prawdopodobnie nie będzie to cud propagacji. Gdzieś nad samochodem, obok toru albo przy ścianie może biec kabel, który celowo nie zatrzymuje całego sygnału dla siebie. Przez tysiące małych szczelin zamienia się w antenę tak długą jak tunel i sprawia, że fale radiowe docierają tam, gdzie zwykły nadajnik z powierzchni nie ma już szans.