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Ku天地互聯解決方案能提供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創新的推出“2Ku”解決方案，達到甚至超過Ka天地互聯帶寬，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，成為天地互聯解決方案的一顆新星。

那么，“2Ku”衛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波段衛星上傳和下載數據，隨著HTS Ku衛星升級，“2Ku”速率有望進一步提升到100Mbps以上。相較傳統的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衛星通信技術到底具備哪些技術特點，其機載系統的構成是什么樣的，下面對此進行淺顯的概述。

3 “2Ku”技術特點

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

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

（2）使用ThinKom提供的、收發分開的兩部天線，通過不同頻率進行收發。

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

（4）由于天線比傳統天線剖面更加扁平，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鄰星干擾的影響，“2Ku”天線可以向同步衛星軌道發射窄波束以避免相鄰衛星的信號干擾。（注：靜止通信衛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。由于天線波束具有一定的寬度，地面發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）同時兼容傳統寬波束Ku衛星和下一代高吞吐量點波束衛星，提高在同一區域內單個衛星失效的互余度，同時減少設備持續更新換代的成本。

4 “2Ku”與Ku對比分析

“2Ku”比傳統Ku天線技術具備性能優勢的主要原因為：

（1）采用了可變傾角連續斷面節陣列（VICTS）相控陣天線技術。該技術是在平板波導上連續開貫通的橫向縫并在橫向縫上加枝節實現輻射的天線，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）收發天線分開可以使得對星角度更加精確。如果發射和接收是同一根天線，由于天線的接收頻率和發射頻率不同，以及True Time Delay現象（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射角度（一般指機載衛星天線水平角度）不相同。在同一時刻，天線要么對準接收、要么對準發射，無法同時即對準接收又對準發射，會降低天線的接收或發射效率。而“2Ku”天線，接收和發射天線單獨工作，正好同時即對準接收又對準發射，此時的天線接收性能和發射性能都達到最優，最大化了天線的接收或發射效率，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”機載系統組成

2Ku機載系統構成如圖3所示（包括艙內Wi-Fi設備）：

圖3

2Ku機載系統主要由天線、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