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国产5G毫米波芯片研发成功,意味着什么?

近日,有媒体报道,国产5G毫米波芯片研发成功,这是国内芯片研发里程碑式的时刻。
 
中国工程院院士刘韵洁表示,南京网络通信与安全紫金山实验室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片,并完成了芯片封装和测试,每通道成本由1000元降至20元。同时,该实验室封装集成1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列。芯片与天线阵列力争在2022年商用于我国的5G系统。
 
那么,5G毫米波芯片研发成功,对我国意味着什么?
 

 
为何我国要研发5G毫米波
 
5G毫米波芯片是适用于5G移动通讯领域的芯片,是宽带卫星通信和5G毫米波通信的关键核心器件。
 
那么毫米波是什么?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越大。
 
毫米波带来了大带宽和高速率。基于sub 6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可以使用的最大带宽是100MHz,数据速率不超过1Gbps。而在毫米波频段,移动应用可以使用的最大带宽是400MHz,数据速率高达10Gbps甚至更多。
 
目前,全球5G总共有两大方案,分别是中国主推的Sub-6G,放在6GHz以下的电磁(EM)频谱上,主要在3GHz 和4 GHz频段;美国主推的毫米波方案,侧重于24~300GHz之间的频段。
 
相比Sub-6G,毫米波频谱资源丰富,有更多的毫米波带宽可用,载波带宽可达400MHz/800MHz,不仅提高了数据传输速度,还避免了低频段存在的拥堵,无线传输速率可达10Gbps以上,在研究毫米波频率应用在5G之前,该频段的主要运用在雷达和卫星业务。
 
另外,波长较短的毫米波会产生较窄的波束,从而为数据传输提供更高的空间分辨能力和安全性,且速度快、数据量大,时延小。
 
毫米波元器件的尺寸小,相对于Sub-6GHz设备,更易小型化。还有是子载波间隔较大,单SLOT周期(120KHz)是低频Sub-6GHz(30KHz)的1/4,空口时延降低。
 
不过,受制于无线电波的物理特性,毫米波的短波长和窄光束特性让信号分辨率、传输安全性以及传输速度得以增强,但传输距离大大缩减。
 
我国之所以研发毫米波,是因为毫米波在许多特殊场景具有重要的作用。毫米波可以作用于室内热点、密集城区、宏覆盖、高速铁路接入与回传以及卫星扩展到地面。
 
也就是说,毫米波可以与Sub-6G协同组成双连接异构网络,实现大容量和广覆盖的有机结合,未来市场空间巨大。
 
工作于毫米波的5G系统可以提供很多4G无法提供的业务,比如高清视频、虚拟现实、增强现实、无线基站回程(backhaul)、短距离雷达探测、密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心无线通信服务、工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等。
 
实现技术突破、成本降低50倍
 
众所周知,研发毫米波器件的成本较高,早期主要应用于军事领域,随着自动驾驶、5G、安检等技术的发展,毫米波芯片在民用领域也得到了研究和应用。毫米波芯片长期被国外垄断,实属我国在该领域的短板。
 
5G毫米波芯片的难点在于,该芯片需要用在移动设备上,但因为毫米波本身波长短,衍射能力差,所以对于适应该芯片的移动设备而言,单个天线和单个相控阵是不够的,只有多个相控阵,才不至于被手挡住信号。但设计多个通道的相控阵成本太高,这也是全世界共同面临的难题。
 
南京网络通信与安全紫金山实验室所研制出的5G毫米波芯片,是世界上首次较为彻底地解决了阻碍CMOS毫米波通信的芯片问题,从芯片、模块到天线阵面全面实现自主可控,技术水平处于国际领先。短短五个月的时间里,完成了芯片的封装与测试,并将每通道成本由1000降至20元,这无疑是国产芯片发展强劲有力的一步。
 
该项技术突破,有利于加快我国5G网络在毫米波频段的部署,大大提升5G网络速率,降低5G网络建设及运维成本,同时带动相关产业及应用发展。
 
写在最后
 
我国5G技术正在遭受以美国为首的一些国家围剿,在这个关键时刻,5G毫米波芯片研发成功,无疑为我国科技进阶打了一针强心剂!

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