Galliumnitrid-Bauteile für das 5G-Netz
Eeuropäisches Forschungsprojekt „5G GaN2“ für fehlende Komponenten gestartet.
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.
Abb.: Dieser E-Band-Verstärkerchip, wie er am Fraunhofer IAF entwickelt wird, ist nur wenige Quadratmillimeter groß. (Bild: Fh.-IAF)
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
