揭開“2Ku”技術神秘的面紗

仲志勇 謝 鷹

（深圳市多尼卡電子技術有限公司 518052）

揭開“2Ku”技術神秘的面紗

仲志勇 謝 鷹

（深圳市多尼卡電子技術有限公司 518052）

1 引言

近兩年來，航空天地互聯(lián)技術炙手可熱，ATG、Ku是“你方唱罷我登場”各航空公司聚焦天地互聯(lián)技術開展了各種技術試驗，當然還有美國Ka（Viasat提供服務）、海事衛(wèi)星GXpress（采用Ka技術）等Ka新的號稱能提供兩倍以上Ku天地互聯(lián)帶寬的方案，ATG技術由于涉及頻率許可問題，2015年來較為沉寂，反而是Ku技術由于在東航、南航、國航試驗成功，風頭正盛，目前傳統(tǒng)Ku天地互聯(lián)解決方案能提供30Mbps帶寬，明顯低于Ka技術（Viasat可提供70～100Mbps，海事可提供50Mbps），2015年以來，GoGo創(chuàng)新的推出“2Ku”解決方案，達到甚至超過Ka天地互聯(lián)帶寬，逐步成為航空公司關注焦點，在國際上也獲得高達500架以上合同訂單，成為天地互聯(lián)解決方案的一顆新星。

那么，“2Ku”衛(wèi)星通信技術到底是一種什么樣的技術，具備哪些技術特點，其機載系統(tǒng)的構成是什么樣的，本期老鷹漫談，幫你揭開“2Ku”神秘面紗。

2 “2Ku”是什么樣的技術

2015年年初，Gogo宣布開始聯(lián)合多家航空公司部署名為“2Ku”的下一代新技術。

“2Ku”使用Thin Kom Solutions生產的流線形特殊雙天線，支持最大下行速率可達到70Mbps，它將通過Ku波段衛(wèi)星上傳和下載數(shù)據(jù)，隨著HTS Ku衛(wèi)星升級，“2Ku”速率有望進一步提升到100Mbps以上。相較傳統(tǒng)的Ku波段解決方案，2Ku價格較低，效率翻倍，并會將成本減半。此外，它的天線為（4.5英寸高）低剖面天線，飛機阻力更小，因此油耗將有所下降。Gogo預計該技術將于2015年下半年投入商用航空領域，如圖1所示。

圖1

那么，2Ku衛(wèi)星通信技術到底具備哪些技術特點，其機載系統(tǒng)的構成是什么樣的，下面對此進行淺顯的概述。

3 “2Ku”技術特點

根據(jù)Gogo的2Ku手冊和介紹材料，以及BruceR.Elbert的2Ku白皮書，不難發(fā)現(xiàn)2Ku技術具備如下技術特點：

（1）可以達到超過70Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。如果使用下一代高吞吐量點波束衛(wèi)星（HTS），速度可以達到100Mbps。

（2）使用ThinKom提供的、收發(fā)分開的兩部天線，通過不同頻率進行收發(fā)。

（3）比傳統(tǒng)天線具備更高增益/效率，是其它傳統(tǒng)天線的2倍頻譜效率，可以以更低成本提供更高數(shù)據(jù)吞吐量。

（4）由于天線比傳統(tǒng)天線剖面更加扁平，所以可以使用阻力更小的流線型雷達罩，有利于降低飛機燃油消耗。

（5）比傳統(tǒng)Ku天線少了很多機械作動部件，比如步進馬達、皮帶、齒輪等，因此提高了部件可靠性、降低了總成本。

（6）極大降低了低緯度地區(qū)鄰星干擾的影響，“2Ku”天線可以向同步衛(wèi)星軌道發(fā)射窄波束以避免相鄰衛(wèi)星的信號干擾。（注：靜止通信衛(wèi)星的軌位間距通常在2～2.5°之間，工作頻段相同的兩顆鄰星多半有共同的地面服務區(qū)。由于天線波束具有一定的寬度，地面發(fā)送天線會在指向鄰星的方向上產生干擾輻射（上行鄰星干擾），地面接收天線也會在鄰星方向上接收到干擾信號（下行鄰星干擾）），如圖2所示。

圖2

（7）同時兼容傳統(tǒng)寬波束Ku衛(wèi)星和下一代高吞吐量點波束衛(wèi)星，提高在同一區(qū)域內單個衛(wèi)星失效的互余度，同時減少設備持續(xù)更新?lián)Q代的成本。

4 “2Ku”與Ku對比分析

“2Ku”比傳統(tǒng)Ku天線技術具備性能優(yōu)勢的主要原因為：

（1）采用了可變傾角連續(xù)斷面節(jié)陣列（VICTS）相控陣天線技術。該技術是在平板波導上連續(xù)開貫通的橫向縫并在橫向縫上加枝節(jié)實現(xiàn)輻射的天線，采用這種技術的天線具有很高的饋電效率和口徑效率，是高增益天線一個極為重要的方向。

（2）收發(fā)天線分開可以使得對星角度更加精確。如果發(fā)射和接收是同一根天線，由于天線的接收頻率和發(fā)射頻率不同，以及True Time Delay現(xiàn)象（即不同的頻率會導致不同的相位），則導致相控陣天線的接收角度和發(fā)射角度（一般指機載衛(wèi)星天線水平角度）不相同。在同一時刻，天線要么對準接收、要么對準發(fā)射，無法同時即對準接收又對準發(fā)射，會降低天線的接收或發(fā)射效率。而“2Ku”天線，接收和發(fā)射天線單獨工作，正好同時即對準接收又對準發(fā)射，此時的天線接收性能和發(fā)射性能都達到最優(yōu)，最大化了天線的接收或發(fā)射效率，thinkom“2Ku”原理介紹文中稱有5～8倍的帶寬提升。

（3）“2Ku”天線應用了新高頻頭技術，也是性能提高的原因之一。Thinkom“2Ku”天線采用了基于（packaged discrete）技術的低噪聲的高頻頭LNB器件，使得thinkomKu天線的增益比普通的基于（integrated MMIC）技術高頻頭LNB的Ku天線的增益高出4～5.5dB（根據(jù)香濃定理R=B×log2（1+S/N以及天線尺寸越大，接收效果越好：增益×帶寬×體積=常數(shù)的原理），4dB信噪比S/N的提升能帶來1.812246倍的速率提升。

5 “2Ku”機載系統(tǒng)組成

2Ku機載系統(tǒng)構成如圖3所示（包括艙內Wi-Fi設備）：

圖3

2Ku機載系統(tǒng)主要由天線、天線控制組件（KANDU）、高功放大器（KRFU）、Modman等組成，總重量50kg左右。

另外，2Ku天線組件尺寸大約2m長×1m寬（單個收或發(fā)天線圓盤尺寸為0.91m）。為此，Gogo提供了兩種不同的雷達罩安裝方式供客戶選擇：滿足ARINC791或不滿足ARINC791標準。區(qū)別為：滿足ARINC791標準的雷達罩帶安裝底盤，天線組件安裝在底盤上，可以減少對機身結構的影響，但重量較大；不滿足ARINC791標準的安裝方式是將天線直接安裝在機身結構上，對機身結構影響較大，但重量較輕。但無論哪種安裝方式，雷達罩更加扁平，有利于降低飛機燃油消耗，如圖4所示。

6 “2Ku”最新進展

圖4

2015年8月底，Gogo宣布已經獲得FAA在其B737-500測試飛機上2Ku技術STC最終批準，并聲稱今年年內實現(xiàn)客戶交付。Gogo聲稱：截至目前為止，將在7架運輸航空公司、超過500架飛機上安裝2Ku。

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2016-7-4