E-båndssendermodul baseret på GaN til 6G mobilkommunikation

6G mobilkommunikation forventes at bane vejen for innovative applikationer såsom kunstig intelligens, virtual reality og internet of things i 2030. Dette vil kræve en meget højere ydeevne end den nuværende 5G-mobilstandard, der involverer nye hardwareløsninger. Ved EuMW 2022 vil Fraunhofer IAF derfor præsentere et energieffektivt GaN-baseret sendermodul til de 6G-relevante frekvensområder over 70 GHz, som er udviklet i fællesskab med Fraunhofer HHI. Modulets høje ydeevne er allerede blevet demonstreret på Fraunhofer HHI.

Selvkørende biler, telemedicin, automatiserede fabrikker - lovende fremtidige applikationer som disse inden for transport, sundhedspleje og industri afhænger af informations- og kommunikationsteknologi, der overstiger ydeevnen for den nuværende femte generations mobilkommunikationsstandard (5G). 6G mobilkommunikation, som forventes at blive introduceret i 2030, lover det nødvendige højhastighedsnetværk for datamængder, der kræves i fremtiden, med datahastigheder på over 1 Tbit/s og latenser ned til 100 µs.

Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF og Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute, HHI har siden 2019 arbejdet på de nye højfrekvente komponenter, der er nødvendige for 6G-mobilkommunikation, som en del af KONFEKT-projektet ("Komponenter til 6G-kommunikation" ").

Forskerne har udviklet sendermoduler baseret på effekthalvlederen galliumnitrid (GaN), hvormed frekvensområderne omkring 80 GHz (E-bånd) og 140 GHz (D-bånd) kan aflyttes for første gang med denne teknologi. Det innovative E-bånds sendermodul, med dets høje ydeevne, som allerede er blevet testet med succes af Fraunhofer HHI, vil blive præsenteret for ekspertpublikummet ved European Microwave Week (EuMW) i Milano, Italien, fra den 25. til 30. september 2022.

Innovativ hardware på grund af bredbåndssammensatte halvledere og SLM-processer

"6G kræver nye typer hardware på grund af de høje krav til ydeevne og effektivitet," forklarer Dr. Michael Mikulla fra Fraunhofer IAF, som koordinerer KONFEKT-projektet. "Komponenter på nuværende stade er ved at nå deres grænser. Dette gælder især for den underliggende halvlederteknologi og monterings- og antenneteknologien. For at opnå bedre resultater i udgangseffekt, båndbredde og effekteffektivitet bruger vi GaN-baseret monolitisk integreret mikrobølgekredsløb (MMIC'er) til vores modul i stedet for de siliciumkredsløb, der i øjeblikket er i brug. Som en halvleder med bred båndgab kan GaN behandle højere spændinger og muliggør samtidig væsentligt mindre tab og mere kompakte komponenter. Derudover fjerner vi overflademontering og plane emballagestrukturer for at designe en stråleformende arkitektur med lavere tab med bølgeledere og iboende parallelle kredsløb."

Fraunhofer HHI er også stærkt involveret i evalueringen af ​​3D-printede bølgeledere. Adskillige komponenter, herunder strømsplittere, antenner og antennefødere, er blevet designet, fremstillet og karakteriseret ved hjælp af den selektive lasersmeltning (SLM) proces. Denne proces gør det også muligt hurtigt og omkostningseffektivt at fremstille komponenter, der ikke kan produceres ved hjælp af konventionelle metoder, hvilket baner vejen for udviklingen af ​​6G-teknologi.

"Gennem disse tekniske innovationer tager Fraunhofer-institutterne IAF og HHI Tyskland og Europa et væsentligt skridt fremad mod fremtidens mobilkommunikation, samtidig med at de yder et vigtigt bidrag til indenlandsk teknologisk suverænitet," siger Mikulla.

Højtydende sendermoduler til fremtidige 6G-frekvensbånd demonstreret med succes

E-båndsmodulet opnår en lineær udgangseffekt på 1 W i frekvensområdet fra 81 GHz til 86 GHz ved at koble sendeeffekten fra fire individuelle moduler med bølgelederkomponenter med ekstremt lavt tab. Dette gør den velegnet til bredbåndspunkt-til-punkt-dataforbindelser over lange afstande, hvilket er en nøglefunktion for fremtidige 6G-arkitekturer.

Forskellige transmissionseksperimenter udført af Fraunhofer HHI har allerede demonstreret ydeevnen af ​​de fælles udviklede komponenter:I forskellige udendørs scenarier blev signaler svarende til de nuværende udviklingsspecifikationer for 5G (5G-NR Release 16 fra den globale mobilkommunikationsstandardiseringsorganisation 3GPP) transmitteret kl. 85 GHz med en båndbredde på 400 MHz.

Med en klar synslinje blev data med succes transmitteret over en afstand på 600 meter i 64-symbol kvadratur amplitudemodulation (64-QAM), hvilket sikrede en høj båndbreddeeffektivitet på 6 bit/s/Hz. Error Vector Magnitude (EVM) af det modtagne signal var -24,43 dB, et godt stykke under 3GPP-grænsen på -20,92 dB. Med sigtelinje blokeret af træer og parkerede køretøjer kunne 16QAM-modulerede data overføres med succes over en afstand på 150 meter. Selv med en fuldstændig blokeret synslinje mellem sender og modtager, var det stadig muligt at transmittere og med succes modtage fire-faset modulerede data (Quaternary Phase-Shift Keying, QPSK) med en effektivitet på 2 bit/s/Hz. Det høje signal-til-støj-forhold på nogle gange mere end 20 dB i alle scenarier er bemærkelsesværdigt, især i betragtning af frekvensområdet, og er kun muliggjort af den høje ydeevne af de udviklede komponenter.

I en anden tilgang blev der udviklet et sendermodul til frekvensområdet omkring 140 GHz, der kombinerer en udgangseffekt på mere end 100 mW med en ekstrem båndbredde på 20 GHz. Tests med dette modul afventer stadig. Begge sendermoduler er ideelle komponenter til udvikling og test af fremtidige 6G-systemer i terahertz-frekvensområdet. + Udforsk yderligere

Satellit sender testsignaler i Q- og W-bånd for første gang