Bis 2030 soll der 6G-Mobilfunk den Weg für innovative Anwendungen wie künstliche Intelligenz, virtuelle Realität und das Internet der Dinge ebnen.Dies erfordert eine höhere Leistung als der aktuelle Mobilfunkstandard 5G unter Verwendung neuer Hardwarelösungen.So präsentiert das Fraunhofer IAF auf der EuMW 2022 ein gemeinsam mit dem Fraunhofer HHI entwickeltes energieeffizientes GaN-Sendemodul für den entsprechenden 6G-Frequenzbereich oberhalb 70 GHz.Die hohe Leistungsfähigkeit dieses Moduls wurde vom Fraunhofer HHI bestätigt.
Autonome Fahrzeuge, Telemedizin, automatisierte Fabriken – all diese zukünftigen Anwendungen im Transportwesen, im Gesundheitswesen und in der Industrie basieren auf Informations- und Kommunikationstechnologien, die über die Möglichkeiten des aktuellen Mobilfunkstandards der fünften Generation (5G) hinausgehen.Der erwartete Start des 6G-Mobilfunks im Jahr 2030 verspricht die Bereitstellung der notwendigen Hochgeschwindigkeitsnetze für die künftig benötigten Datenmengen mit Datenraten von über 1 Tbit/s und Latenzzeiten von bis zu 100 µs.
Seit 2019 als KONFEKT-Projekt („6G-Kommunikationskomponenten“).
Die Forscher haben Sendemodule auf Basis von Galliumnitrid (GaN)-Leistungshalbleitern entwickelt, die erstmals den Frequenzbereich von etwa 80 GHz (E-Band) und 140 GHz (D-Band) nutzen können.Das innovative E-Band-Sendemodul, dessen hohe Leistung vom Fraunhofer HHI erfolgreich getestet wurde, wird vom 25. bis 30. September 2022 auf der European Microwave Week (EuMW) in Mailand, Italien, der Fachöffentlichkeit vorgestellt.
„Aufgrund der hohen Anforderungen an Leistung und Effizienz erfordert 6G neuartige Geräte“, erklärt Dr. Michael Mikulla vom Fraunhofer IAF, der das Projekt KONFEKT koordiniert.„Moderne Komponenten stoßen heute an ihre Grenzen.Dies gilt insbesondere für die zugrunde liegende Halbleitertechnologie sowie die Montage- und Antennentechnik.Um die besten Ergebnisse in Bezug auf Ausgangsleistung, Bandbreite und Leistungseffizienz zu erzielen, verwenden wir GaN-basierte monolithische Integrations-Mikrowellen-Mikrowellenschaltungen (MMIC) unseres Moduls, die derzeit verwendete Siliziumschaltungen ersetzen. Als Halbleiter mit großer Bandlücke kann GaN bei höheren Spannungen betrieben werden Dies sorgt für deutlich geringere Verluste und kompaktere Komponenten. Darüber hinaus entfernen wir uns von oberflächenmontierten und planaren Designpaketen und entwickeln verlustarme Beamforming-Architekturen mit Wellenleitern und integrierten Parallelschaltungen.“
Auch an der Evaluierung von 3D-gedruckten Wellenleitern ist das Fraunhofer HHI aktiv beteiligt.Mehrere Komponenten wurden mithilfe des selektiven Laserschmelzverfahrens (SLM) entworfen, hergestellt und charakterisiert, darunter Leistungsteiler, Antennen und Antennenzuführungen.Das Verfahren ermöglicht auch die schnelle und kostengünstige Herstellung von Komponenten, die mit herkömmlichen Methoden nicht hergestellt werden können, und ebnet so den Weg für die Entwicklung der 6G-Technologie.
„Mit diesen technologischen Innovationen ermöglichen die Fraunhofer-Institute IAF und HHI Deutschland und Europa einen wichtigen Schritt in die Zukunft des Mobilfunks und leisten gleichzeitig einen wichtigen Beitrag zur nationalen Technologiesouveränität“, sagte Mikula.
Das E-Band-Modul bietet 1 W lineare Ausgangsleistung von 81 GHz bis 86 GHz, indem es die Sendeleistung von vier separaten Modulen mit einer extrem verlustarmen Wellenleiterbaugruppe kombiniert.Dadurch eignet es sich für breitbandige Punkt-zu-Punkt-Datenverbindungen über große Entfernungen, eine Schlüsselfunktion für zukünftige 6G-Architekturen.
Verschiedene Übertragungsexperimente des Fraunhofer HHI haben die Leistungsfähigkeit der gemeinsam entwickelten Komponenten nachgewiesen: In verschiedenen Outdoor-Szenarien entsprechen die Signale der aktuellen 5G-Entwicklungsspezifikation (5G-NR Release 16 des 3GPP-GSM-Standards).Bei 85 GHz beträgt die Bandbreite 400 MHz.
Bei Sichtverbindung werden Daten erfolgreich über eine Entfernung von bis zu 600 Metern in 64-Symbol-Quadratur-Amplitudenmodulation (64-QAM) übertragen, was eine hohe Bandbreiteneffizienz von 6 bps/Hz ermöglicht.Die Fehlervektorgröße (EVM) des empfangenen Signals beträgt -24,43 dB und liegt damit deutlich unter der 3GPP-Grenze von -20,92 dB.Da die Sichtlinie durch Bäume und geparkte Fahrzeuge blockiert ist, können 16QAM-modulierte Daten erfolgreich über eine Entfernung von bis zu 150 Metern übertragen werden.Quadraturmodulationsdaten (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) können auch dann noch mit einer Effizienz von 2 bps/Hz gesendet und erfolgreich empfangen werden, wenn die Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger vollständig blockiert ist.In allen Szenarien ist ein hoher Signal-Rausch-Abstand, der teilweise über 20 dB liegt, besonders im Hinblick auf den Frequenzbereich unerlässlich und kann nur durch eine Steigerung der Leistung der Komponenten erreicht werden.
Im zweiten Ansatz wurde ein Sendemodul für einen Frequenzbereich um 140 GHz entwickelt, das eine Ausgangsleistung von über 100 mW mit einer maximalen Bandbreite von 20 GHz kombiniert.Der Test dieses Moduls steht noch bevor.Beide Sendemodule sind ideale Komponenten für die Entwicklung und Erprobung zukünftiger 6G-Systeme im Terahertz-Frequenzbereich.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. Okt. 2022
