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毫米波技術成功幫助黑洞照片拍攝
發布時間 :2021-03-21
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近日,朋友圈被科學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雜,筆者也未能完全明白。據介紹,拍攝這個照片最主要的功勞當屬八座毫米波射電望遠鏡。據相關資料顯示,其中最大的毫米波射電望遠鏡陣列,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年才完成這個項目。

雖然望遠鏡涉及的技術非常之多,但是用到了非常熱門的一項技術,這個技術和5G關聯密切,那就是毫米波技術。據悉,由于星系中心的黑洞被物體阻擋,光學波段望遠鏡不可能穿過,只能用毫米波技術制作成望遠鏡。

毫米波為何有如此魔力?

毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波,其頻率大約在30GHz~300GHz之間。根據通信原理,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,可實現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區100MHz。因此,如果使用毫米波頻段進行傳輸,頻譜帶寬至少是4G傳輸的10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手機在線看藍光品質的電影。

電磁波有一個非常顯著的特點,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,對于同一個區域,5G所需建設的基站數量將大大超過4G。因此,從根本上來說,頻段越高傳輸速率越高,同時,建設成本也會相應大幅提升。

應用前景廣闊,眾多企業研究毫米波技

在4G時代,智能手機橫空出世,使得移動互聯網獲得快速發展,促進了通訊技術的快速革新。僅僅在數年間,通信數據的傳輸速率得到飛躍性增長,廣大用戶得以享受高速網絡傳輸。目前,針對4G、5G 的議題熱度始終居高不下,并躍居產學研等單位的研究主題。隨著智慧城市、物聯網、自動駕駛、AR/VR等新興技術和產業的興起,5G的未來有了更大的發揮空間。但公眾對4G和5G的認知,往往只是手機上網的速度變得更快了,并不了解其背后的科學含意。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的新興技術主要是毫米波與波束成形。

華為是全球5G技術的忠實推動者,對于毫米波技術,它們也是非常看好。2017年,華為和新加坡運營商M1合作的運營中心,利用先進的毫米波技術進行5G測試,這個技術是在E頻帶的73GHz頻帶上進行的,以驗證5G在高頻帶的性能,在當時達到了35Gbps的峰值吞吐量,是新加坡新一代技術實現的最高數據速度。據悉,該測試是在原型Cat 14設備上進行的,涉及了四種先進的移動載波技術集成技術,包括三頻帶載波聚合、多輸入多輸出、高階調制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,這次實驗標志著基于3GPP的5G毫米波網絡與相關產業鏈已成熟,為5G商用場景的覆蓋提供了新的技術支撐。

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行于28GHz頻段的毫米波5G技術。高頻28GHz技術是5G技術的基礎,愛立信在美國進已經完成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強聯合進行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,該設備撥打了全球首個符合3GPP標準的5G新空口毫米波電話,在當時引起了廣泛的熱議。據業內人士對筆者透露,高通驍龍X50的5G調制解調器離不開愛立信和高通共同研發的39GHz毫米波技術,毫米波對5G產業的推進功不可沒。

毫米波技術成功幫助黑洞照片拍攝

2017年10月,富士通實驗室宣布開發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電路與差分放大器結合從而減少所需的功率放大器數量;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利用了波束形成技術,其控制了128個天線元件同時還增加了由移相器設置的相位和幅度的測量能力,并能進行調整以補償偏差,進一步降低功耗并提高波束方向的精度。據悉,這種有效的微型5G基站可以部署在人口密度較高地區,包括火車站和體育館等場所。此外,公司下一步計劃是在2020年提供5G小基站產品之前進行現場測試和相關設備的開發。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備用途開發出了可提高信號接收IC芯片靈敏度的技術,可防止泄漏信號造成的振蕩,同時還能提高放大倍數。

毫米波技術被全球眾多國家看重,也取得了很快的發展速度。我國5G毫米波頻譜規劃與美國、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模化產業鏈,更容易實現全球協調統一,從而降低5G毫米波的研發風險。未來隨著中國5G的推出,毫米波技術也將得到快速發展,在這項技術上,中國具備和全球巨頭掰一掰手腕的實力。

文章來源: 科學世界觀


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