Reading time: 4 minutes
Author:
Paul van Dijk is CEO van Satrax, een spin-off van de Universiteit Twente.
Internetten in een vliegtuig is mogelijk, maar het houdt nog niet over door de beperkte bandbreedte die de tien jaar oude netwerkinfrastructuur aan boord biedt. UT-spin-off Satrax werkt aan een alternatief op basis van optische bundelvormers dat parallel duizend televisiezenders in HD-kwaliteit, data- en telefoonverkeer mogelijk maakt.
Iedereen is tegenwoordig altijd en overal bereikbaar, zo lijkt het. Thuis zijn we via het glasvezelnetwerk verbonden met de virtuele server van het bedrijf en delen we documenten, filmpjes en foto‘s met collega‘s. Onderweg in de auto checken we onze e-mail en ook in de trein hebben we tegenwoordig toegang tot het netwerk. We kunnen zelfs al bellen en mailen in de lucht.
Op dit moment gebruikt nog maar een fractie van de passagiers op een vlucht de netwerkconnectiviteit aan boord, zo‘n zes procent om precies te zijn. De bedrijven die deze service bieden, zien dat echter met ongeveer vijftig procent per jaar toenemen. Het Amerikaanse Gogo zet nu al dertig miljoen dollar per kwartaal om met zijn in-flight internetdienst.
Om de netwerkconnectiviteit aan boord mogelijk te maken, communiceert een vliegtuig met een geostationaire satelliet in de ruimte, momenteel vooral via de L-frequentieband (1 tot 2 GHz). Op het toestel staat daartoe een mechanisch draaibare schotel onder een radome, een koepel van composiet die transparant is voor het RF-signaal. De onderliggende netwerkinfrastructuur is gebaseerd op de tien jaar oude Connection by Boeing-technologie, ontwikkeld door de Amerikaanse vliegtuigbouwer en Mitsubishi Electronics.
Aan de L-bandinfrastructuur kleven echter een paar grote nadelen. Zo heeft het netwerk een beperkte capaciteit: met de bandbreedte van 432 kb/s zijn slechts acht telefoontjes tegelijk af te handelen. Daarnaast zorgt de hoge radome voor een toename in luchtweerstand van het toestel en daarmee voor extra brandstofkosten, die kunnen oplopen tot de prijs van zes verkochte stoelen.
Fasedraaier
De vliegtuigindustrie is daarom al een tijdje op zoek naar alternatieven voor het tien jaar oude systeem. Bedrijven als Inmarsat en Intelsat zetten met miljardeninvesteringen vol in op uitbreiding van de infrastructuur in de Ku– en Ka-band (11 tot 18 GHz respectievelijk 26 tot 40 GHz). Hiermee is het mogelijk om via satellietcommunicatie realtime televisie in HD-kwaliteit te ontvangen.
De nieuwe satcomsystemen gebruiken vlakke antennes die niet groter zijn dan een A4‘tje. Deze zoeken zelf de locatie van de ruimtezender middels de ingebouwde gps en stellen zelf hun oriëntatie bij om de signaalontvangst te optimaliseren. Door de uit de radarwereld bekende phased array-technologie toe te passen, kunnen ze ook onder een (scherende) hoek kijken. De grote beweegbare schotel behoort hiermee tot het verleden.
Een phased array is een groep antennes waarbij het mogelijk is om de uitgaande en inkomende bundel te richten. Bij het zenden gebruiken de stralers onderling zodanig verschillende fases dat de signalen elkaar versterken in één richting en onderdrukken in de andere richtingen. Bij het ontvangen is het zaak om die faseverschillen, gerelateerd aan de gewenste kijkrichting, weer ongedaan te maken. Als we de binnenkomende signalen zonder correctie samenvoegen, gaat de informatie door destructieve interferentie volledig verloren.
De conventionele aanpak is om de fases van de afzonderlijke signalen zo te verschuiven dat ze weer in de pas lopen. Doordat de hiervoor gebruikte (elektronische) fasedraaiers frequentieonafhankelijk zijn en iedere frequentie een andere golflengte heeft, blijven we zitten met uiteenlopende padlengtes. Deze ongewenste frequentieafhankelijke kijkrichting van phased-array-antennes heet beam squint. Bij Satrax hebben we een optisch alternatief ontwikkeld dat juist voor padlengtes corrigeert, en niet voor faseverschillen.
Bundelvormer
Onze oplossing gaat uit van een phased array met 64 antenne-elementen, die zijn geordend in een schaakbordpatroon ter grootte van een bierviltje. De 64 binnenkomende radiogolven zetten we om in evenzoveel amplitudegemoduleerde lichtsignalen. Via een binaire boomstructuur synchroniseren en combineren we die vervolgens tot één outputsignaal dat de coherente som is van de inputs. Een detector converteert deze output weer terug naar het RF-domein, waarna het resultaat een standaard modem in gaat.
We synchroniseren de signalen door vertragingen te introduceren in de boom. Daartoe zit er in iedere tak een optische-ringresonator. Als de synchronisatie vereist dat we het passerende lichtsignaal vertragen, laten we het een strafrondje lopen door de microring. Zo strijken we de faseverschillen glad door de af te leggen paden waar nodig langer te maken. Met een slim thermo-optisch effect stemmen we de vertragingen continu op elkaar af, zodat we aan het einde van de optische rit een constructieve interferentie hebben. Dankzij de optische-golfgeleidertechnologie van ons zusterbedrijf Lionix kunnen we het licht op kleine schaal schakelen zonder dat grote signaalverliezen optreden.
De binaire boom met ringresonatoren noemen we een bundelvormer. Deze integreren we op een optische chip, die we met zijn vijftienen op een vier inch silicium wafer laten vervaardigen bij het Nanolab van Mesa+ in Enschede. De integrated microwave photonics-technologie die we gebruiken, is gebaseerd op fabricageprocessen uit de halfgeleiderindustrie, zodat we eenvoudig en kostenefficiënt kunnen opschalen naar grote aantallen. Daarnaast biedt de technologie de ontwerpvrijheid om configureerbare functies zoals delay-lijnen en filters te integreren op een compacte footprint. Hierdoor kunnen we direct concurreren met digitale filteroplossingen, die een veel grotere rekenkracht vragen om hoge bitrates mogelijk te maken.
Op dit moment leggen we de laatste hand aan het prototype van het antennesysteem. De hardwarecomponenten daarvoor zijn onlangs uit de fabriek gerold en binnenkort verwachten we de eerste performanceresultaten. Het uiteindelijke systeem zal duizend televisiezenders in HD-kwaliteit en parallel data- en telefoonverkeer kunnen aanbieden in de Ku-band tussen 10,7 en 12,7 GHz. Met zijn compacte formaat, configureerbaarheid van de antenne en realtime sturing van de bundel is het niet alleen interessant voor mobiele voertuigen, maar ook voor satellieten en (WLan-, UMTS- en LTE-)zendmasten.
