Galliumnitrid-Bauteile für das 5G-Netz

Das Mobil­funknetz der fünften Generation (5G) soll eine Datenüber­tragung zwischen Menschen, Geräten und Maschinen in Echtzeit ermöglichen. Eine Techno­logie für ein zuverlässiges, schnelles und energie­effizientes 5G-Netz gibt es bislang noch nicht. In dem EU-Projekt „5G GaN2“ haben sich 17 Partner aus Forschung und Industrie zusammen­geschlossen, um kosten­günstige und leistungs­starke Technologien auf Basis von Gallium­nitrid für den kommenden Mobilfunk­standard zu entwickeln. Im Juli 2018 nahm das Konsortium, zu dem auch das Fraun­hofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF gehört, seine Arbeit auf.

Bislang kommu­nizieren hauptsächlich Menschen über das drahtlose Funknetz. Im Mobil­funknetz der fünften Generation sollen auch Autos, Geräte und Produktions­maschinen Daten in Echtzeit übertragen. Um diese hohe Datenrate zu bewältigen, werden in Zukunft auch Frequenz­bänder im Millimeter­wellenlängen­bereich genutzt. Sie stellen eine zehnmal höhere Bandbreite bereit als die bislang verfügbaren Frequenz­bänder (< 3 GHz) und sind nun inter­national freigegeben, um die Bandbreitenbereiche signifikant zu steigern. Mit der derzeitigen Mobilfunk- und Antennen­technologie können diese neuen Frequenz­bereiche jedoch noch nicht effizient bedient werden. „Daher ist es notwendig, für diese neuen Frequenzbänder die verfügbare Ausgangs­leistung und die Energie­effizienz der Netzinfrastruktur durch den Einsatz von fort­schrittlicher Gallium­nitrid-Technologie zu erhöhen“, sagt Dirk Schwantuschke, der das Projekt seitens des Fraunhofer IAF leitet. In dem Projekt „5G GaN2“ sollen Komponenten, Bauteile und Schaltungen für 5G-Basis­stationen auf Basis von Galliumnitrid (GaN) entwickelt werden. „Der Beitrag des Fraunhofer IAF an dem Gesamt­vorhaben wird die Entwicklung von Leistungs­verstärkern im E-Band, dem Frequenz­bereich um 80 Gigahertz, sein“, erklärt Schwantuschke.

Um in Zukunft eine hohe Datenflut über Frequenz­bänder im Millimeter­wellenlängen­bereich zu gewährleisten, müssen die Techno­logien der Basis­stationen zwei Kriterien erfüllen: Die Ausgangs­leistung muss gesteigert werden, während Kosten und Energie­verbrauch niedrig bleiben. Um das zu erreichen, setzen die Projekt­partner von „5G GaN2“ auf GaN-basierte Techno­logien und Verstärker­schaltungen. Elek­tronische Bauteile und Systeme auf Basis von GaN sind wesentlich energie­effizienter als herkömmliche Bauelemente aus Silizium. Wahlweise sollen die GaN-Bauteile auf kostengünstigen Si-Substraten aufgebracht werden. Ebenso geht es in dem Projekt darum, mithilfe von inno­vativen Ansätzen in Bezug auf die Aufbau­technik verschiedene Bau­elemente in einem Gehäuse zu vereinen, um so Kosten zu reduzieren.

Ziel des Projektes ist die Realisierung von Demonstratoren bei 28 GHz, 38 GHz und 80 GHz. Diese Demonstra­toren sollen als Schlüssel­technologien die Entwicklung eines leistungsstarken und energie­effizienten 5G-Mobil­funknetzes auf Basis von GaN voran­treiben. ECSEL, eine Initiative der Euro­päischen Kommission, fördert das auf drei Jahre angelegte Gemeinschafts­projekt von 17 Projekt­partnern aus sieben Ländern. as Fraunhofer IAF hat besonderes Know-how in der Entwicklung von Leistungs­verstärkern auf Basis von GaN. „Für leistungs­fähige Hochfrequenzv­erstärker, wie sie für die Basis­stationen und die Infra­struktur der Mobilfunk­netze benötigt werden, eignet sich GaN in besonderem Maße, da damit hohe Frequenzen bei großer Leistung verarbeitet werden können. Die hier ent­wickelten Leistungs­verstärker sind in der Lage, mehr Daten schneller und energie­effizienter durch das Mobilfunk­netz zu schicken“, so Schwantuschke.

Fh.-IAF / JOL