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(gè)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(tái)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(gè)項(xiàng)目。
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(gè)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(guò)，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(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)的電磁波，其頻率大約在30GHz～300GHz之間。根據(jù)通信原理，無(wú)線通信的最大信號(hào)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(hào)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(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)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(huì)得到巨大提升。一個(gè)直觀的例子，在5G時(shí)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(gè)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(huì)隨之明顯變差。并且，頻率越高，在傳播過(guò)程中的衰減也會(huì)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(huì)大幅減弱。因此，對(duì)于同一個(gè)區(qū)域，5G所需建設(shè)的基站數(shù)量將大大超過(guò)4G。因此，從根本上來(lái)說(shuō)，頻段越高傳輸速率越高，同時(shí)，建設(shè)成本也會(huì)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(shí)代，智能手機(jī)橫空出世，使得移動(dòng)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(zhǎng)，廣大用戶得以享受高速網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前，針對(duì)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(dòng)駕駛、AR／VR等新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的興起，5G的未來(lái)有了更大的發(fā)揮空間。但公眾對(duì)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(dòng)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(dòng)者，對(duì)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(yíng)商M1合作的運(yùn)營(yíng)中心，利用先進(jìn)的毫米波技術(shù)進(jìn)行5G測(cè)試，這個(gè)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(shí)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(cè)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(dòng)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(gè)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(chǎng)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(dòng)通信大會(huì)上，它們?cè)跁?huì)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(guó)進(jìn)已經(jīng)完成28GHz頻段的測(cè)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(cè)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(gè)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的5G新空口毫米波電話，在當(dāng)時(shí)引起了廣泛的熱議。據(jù)業(yè)內(nèi)人士對(duì)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(duì)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(shí)保持較低功耗。富士通表示，其新型移相器通過(guò)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(shí)“毫米波”是“絕對(duì)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(gè)天線元件同時(shí)還增加了由移相器設(shè)置的相位和幅度的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)測(cè)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(wú)線通信設(shè)備用途開發(fā)出了可提高信號(hào)接收IC芯片靈敏度的技術(shù)，可防止泄漏信號(hào)造成的振蕩，同時(shí)還能提高放大倍數(shù)。
毫米波技術(shù)被全球眾多國(guó)家看重，也取得了很快的發(fā)展速度。我國(guó)5G毫米波頻譜規(guī)劃與美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)基本保持一致，24．75－27．5GHz、37－42．5GHz波段很容易可以與國(guó)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(lái)隨著中國(guó)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(guó)具備和全球巨頭掰一掰手腕的實(shí)力。