《電子技術(shù)應(yīng)用》
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黑洞照片的成功拍攝離不開毫米波技術(shù)

2019-04-16

近日,朋友圈被科學(xué)家們拍攝的黑洞照片刷屏了,很多人并不清楚這些黑洞照片怎么拍攝的,這其中的原理非常復(fù)雜,筆者也未能完全明白。據(jù)介紹,拍攝這個照片最主要的功勞當(dāng)屬八座毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。據(jù)相關(guān)資料顯示,其中最大的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡陣列,由64臺口徑為12米的天線組成,工作在毫米波和亞毫米波,耗資巨大且在2012年才完成這個項(xiàng)目。

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雖然望遠(yuǎn)鏡涉及的技術(shù)非常之多,但是用到了非常熱門的一項(xiàng)技術(shù),這個技術(shù)和5G關(guān)聯(lián)密切,那就是毫米波技術(shù)。據(jù)悉,由于星系中心的黑洞被物體阻擋,光學(xué)波段望遠(yuǎn)鏡不可能穿過,只能用毫米波技術(shù)制作成望遠(yuǎn)鏡。

毫米波為何有如此魔力?

毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波,其頻率大約在30GHz~300GHz之間。根據(jù)通信原理,無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實(shí)現(xiàn)的信號帶寬也就越大。

在毫米波頻段中,28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望被5G使用的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz。相較而言,4G-LTE頻段的最高頻率載波在2GHz左右,可用頻譜帶寬只有區(qū)區(qū)100MHz。因此,如果使用毫米波頻段進(jìn)行傳輸,頻譜帶寬至少是4G傳輸?shù)?0倍,傳輸速率也會得到巨大提升。一個直觀的例子,在5G時代,使用毫米波頻段后,可以輕松使用5G手機(jī)在線看藍(lán)光品質(zhì)的電影。

電磁波有一個非常顯著的特點(diǎn),采用的頻率越高,越趨近于直線傳播,它的繞射能力也會隨之明顯變差。并且,頻率越高,在傳播過程中的衰減也會越大。所以,雖然5G的傳輸速率得到了很大提升,可相比4G,其覆蓋能力卻會大幅減弱。因此,對于同一個區(qū)域,5G所需建設(shè)的基站數(shù)量將大大超過4G。因此,從根本上來說,頻段越高傳輸速率越高,同時,建設(shè)成本也會相應(yīng)大幅提升。

應(yīng)用前景廣闊,眾多企業(yè)研究毫米波技術(shù)

在4G時代,智能手機(jī)橫空出世,使得移動互聯(lián)網(wǎng)獲得快速發(fā)展,促進(jìn)了通訊技術(shù)的快速革新。僅僅在數(shù)年間,通信數(shù)據(jù)的傳輸速率得到飛躍性增長,廣大用戶得以享受高速網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前,針對4G、5G 的議題熱度始終居高不下,并躍居產(chǎn)學(xué)研等單位的研究主題。隨著智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)自動駕駛、AR/VR等新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的興起,5G的未來有了更大的發(fā)揮空間。但公眾對4G和5G的認(rèn)知,往往只是手機(jī)上網(wǎng)的速度變得更快了,并不了解其背后的科學(xué)含意。從1G、2G,一直到5G,移動通信的工作頻段不斷提升,傳輸速率隨之不斷加快。與3G、4G相比,5G的新興技術(shù)主要是毫米波與波束成形。

華為是全球5G技術(shù)的忠實(shí)推動者,對于毫米波技術(shù),它們也是非常看好。2017年,華為和新加坡運(yùn)營商M1合作的運(yùn)營中心,利用先進(jìn)的毫米波技術(shù)進(jìn)行5G測試,這個技術(shù)是在E頻帶的73GHz頻帶上進(jìn)行的,以驗(yàn)證5G在高頻帶的性能,在當(dāng)時達(dá)到了35Gbps的峰值吞吐量,是新加坡新一代技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最高數(shù)據(jù)速度。據(jù)悉,該測試是在原型Cat 14設(shè)備上進(jìn)行的,涉及了四種先進(jìn)的移動載波技術(shù)集成技術(shù),包括三頻帶載波聚合、多輸入多輸出、高階調(diào)制256和雙波段上行鏈路載波聚合。2018年10月,華為打通了全球首個基于3GPP的5G毫米波商用first call,這次實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著基于3GPP的5G毫米波網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈已成熟,為5G商用場景的覆蓋提供了新的技術(shù)支撐。

愛立信作為全球知名的老牌通訊巨頭,在2017年愛世界移動通信大會上,它們曾在會上展示了運(yùn)行于28GHz頻段的毫米波5G技術(shù)。高頻28GHz技術(shù)是5G技術(shù)的基礎(chǔ),愛立信在美國進(jìn)已經(jīng)完成28GHz頻段的測試,之前它們和IBM共同推出了一款28GHz天線,愛立信還和芯片巨頭英特爾強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合進(jìn)行28GHz的空口測試。2018年9月,愛立信和高通合作,推出了一款定制手機(jī),該設(shè)備撥打了全球首個符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G新空口毫米波電話,在當(dāng)時引起了廣泛的熱議。據(jù)業(yè)內(nèi)人士對筆者透露,高通驍龍X50的5G調(diào)制解調(diào)器離不開愛立信和高通共同研發(fā)的39GHz毫米波技術(shù),毫米波對5G產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)功不可沒。

2017年10月,富士通實(shí)驗(yàn)室宣布開發(fā)用于小型基站的毫米波移相器,能提供5G所需的10Gbps連接速度,同時保持較低功耗。富士通表示,其新型移相器通過將開關(guān)電路與差分放大器結(jié)合從而減少所需的功率放大器數(shù)量;新毫米波電路的使用也限制了電路的電損耗。毫米波頻譜為5G提供了所需的高速,同時“毫米波”是“絕對單向的”。其新型小型基站技術(shù)利用了波束形成技術(shù),其控制了128個天線元件同時還增加了由移相器設(shè)置的相位和幅度的測量能力,并能進(jìn)行調(diào)整以補(bǔ)償偏差,進(jìn)一步降低功耗并提高波束方向的精度。據(jù)悉,這種有效的微型5G基站可以部署在人口密度較高地區(qū),包括火車站和體育館等場所。此外,公司下一步計(jì)劃是在2020年提供5G小基站產(chǎn)品之前進(jìn)行現(xiàn)場測試和相關(guān)設(shè)備的開發(fā)。2018年5月,富士通面向使用毫米波240GHz頻帶的大容量無線通信設(shè)備用途開發(fā)出了可提高信號接收IC芯片靈敏度的技術(shù),可防止泄漏信號造成的振蕩,同時還能提高放大倍數(shù)。

毫米波技術(shù)被全球眾多國家看重,也取得了很快的發(fā)展速度。我國5G毫米波頻譜規(guī)劃與美國、歐盟、日本、韓國基本保持一致,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz波段很容易可以與國外形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)鏈,更容易實(shí)現(xiàn)全球協(xié)調(diào)統(tǒng)一,從而降低5G毫米波的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。未來隨著中國5G的推出,毫米波技術(shù)也將得到快速發(fā)展,在這項(xiàng)技術(shù)上,中國具備和全球巨頭掰一掰手腕的實(shí)力。


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