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黑洞照片的成功拍摄离不开毫米波技术

近日,朋友圈被科学家们拍摄的黑洞照片刷屏了,很多人并不清楚这些黑洞照片怎么拍摄的,这其中的原理非常复杂,笔者也未能完全明白。据介绍,拍摄这个照片最主要的功劳当属八座毫米波射电望远镜。据相关资料显示,其中最大的毫米波射电望远镜阵列,由64台口径为12米的天线组成,工作在毫米波和亚毫米波,耗资巨大且在2012年才完成这个项目。

人类首张黑洞照片是用什么技术拍摄的?这个关键技术和5G技术如出一辙

虽然望远镜涉及的技术非常之多,但是用到了非常热门的一项技术,这个技术和5G关联密切,那就是毫米波技术。据悉,由于星系中心的黑洞被物体阻挡,光学波段望远镜不可能穿过,只能用毫米波技术制作成望远镜。

毫米波为何有如此魔力?

毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在30GHz~300GHz之间。根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也就越大。

在毫米波频段中,28GHz频段和60GHz频段是最有希望被5G使用的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz。相较而言,4G-LTE频段的最高频率载波在2GHz左右,可用频谱带宽只有区区100MHz。因此,如果使用毫米波频段进行传输,频谱带宽至少是4G传输的10倍,传输速率也会得到巨大提升。一个直观的例子,在5G时代,使用毫米波频段后,可以轻松使用5G手机在线看蓝光品质的电影。

电磁波有一个非常显著的特点,采用的频率越高,越趋近于直线传播,它的绕射能力也会随之明显变差。并且,频率越高,在传播过程中的衰减也会越大。所以,虽然5G的传输速率得到了很大提升,可相比4G,其覆盖能力却会大幅减弱。因此,对于同一个区域,5G所需建设的基站数量将大大超过4G。因此,从根本上来说,频段越高传输速率越高,同时,建设成本也会相应大幅提升。

应用前景广阔,众多企业研究毫米波技术

在4G时代,智能手机横空出世,使得移动互联网获得快速发展,促进了通讯技术的快速革新。仅仅在数年间,通信数据的传输速率得到飞跃性增长,广大用户得以享受高速网络传输。目前,针对4G、5G 的议题热度始终居高不下,并跃居产学研等单位的研究主题。随着智慧城市、物联网、自动驾驶、AR/VR等新兴技术和产业的兴起,5G的未来有了更大的发挥空间。但公众对4G和5G的认知,往往只是手机上网的速度变得更快了,并不了解其背后的科学含意。从1G、2G,一直到5G,移动通信的工作频段不断提升,传输速率随之不断加快。与3G、4G相比,5G的新兴技术主要是毫米波与波束成形。

人类首张黑洞照片是用什么技术拍摄的?这个关键技术和5G技术如出一辙

华为是全球5G技术的忠实推动者,对于毫米波技术,它们也是非常看好。2017年,华为和新加坡运营商M1合作的运营中心,利用先进的毫米波技术进行5G测试,这个技术是在E频带的73GHz频带上进行的,以验证5G在高频带的性能,在当时达到了35Gbps的峰值吞吐量,是新加坡新一代技术实现的最高数据速度。据悉,该测试是在原型Cat 14设备上进行的,涉及了四种先进的移动载波技术集成技术,包括三频带载波聚合、多输入多输出、高阶调制256和双波段上行链路载波聚合。2018年10月,华为打通了全球首个基于3GPP的5G毫米波商用first call,这次实验标志着基于3GPP的5G毫米波网络与相关产业链已成熟,为5G商用场景的覆盖提供了新的技术支撑。

爱立信作为全球知名的老牌通讯巨头,在2017年爱世界移动通信大会上,它们曾在会上展示了运行于28GHz频段的毫米波5G技术。高频28GHz技术是5G技术的基础,爱立信在美国进已经完成28GHz频段的测试,之前它们和IBM共同推出了一款28GHz天线,爱立信还和芯片巨头英特尔强强联合进行28GHz的空口测试。2018年9月,爱立信和高通合作,推出了一款定制手机,该设备拨打了全球首个符合3GPP标准的5G新空口毫米波电话,在当时引起了广泛的热议。据业内人士对笔者透露,高通骁龙X50的5G调制解调器离不开爱立信和高通共同研发的39GHz毫米波技术,毫米波对5G产业的推进功不可没。

2017年10月,富士通实验室宣布开发用于小型基站的毫米波移相器,能提供5G所需的10Gbps连接速度,同时保持较低功耗。富士通表示,其新型移相器通过将开关电路与差分放大器结合从而减少所需的功率放大器数量;新毫米波电路的使用也限制了电路的电损耗。毫米波频谱为5G提供了所需的高速,同时“毫米波”是“绝对单向的”。其新型小型基站技术利用了波束形成技术,其控制了128个天线元件同时还增加了由移相器设置的相位和幅度的测量能力,并能进行调整以补偿偏差,进一步降低功耗并提高波束方向的精度。据悉,这种有效的微型5G基站可以部署在人口密度较高地区,包括火车站和体育馆等场所。此外,公司下一步计划是在2020年提供5G小基站产品之前进行现场测试和相关设备的开发。2018年5月,富士通面向使用毫米波240GHz频带的大容量无线通信设备用途开发出了可提高信号接收IC芯片灵敏度的技术,可防止泄漏信号造成的振荡,同时还能提高放大倍数。

毫米波技术被全球众多国家看重,也取得了很快的发展速度。我国5G毫米波频谱规划与美国、欧盟、日本、韩国基本保持一致,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz波段很容易可以与国外形成规模化产业链,更容易实现全球协调统一,从而降低5G毫米波的研发风险。未来随着中国5G的推出,毫米波技术也将得到快速发展,在这项技术上,中国具备和全球巨头掰一掰手腕的实力。


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