Mobilfunk-Forschungsvorhaben "GaN-Switchmode" – Mehr Leistung bei geringerem Energieverbrauch

Ob Fernsehen auf dem Handy oder rasanter Download ohne Kabel: Die Anforderungen an das Mobilfunknetz steigen gewaltig, und dabei sollen die Kosten niedrig bleiben. Ein aktuelles Forschungsprojekt am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) will nun kompakte und multifunktionale Mobilfunk-Basisstationen mit deutlich geringerem Energieverbrauch als bisher ermöglichen.

Diese Stationen werden an Sendemasten eingesetzt und benötigen leistungsfähige Verstärker. Das FBH-Projekt sieht vor, vollkommen neuartige, energieeffiziente und hochlineare Mikrowellen-Leistungsverstärker auf Galliumnitrid-Basis (GaN) zu entwickeln. Die getakteten Verstärker sollen bei 2 GHz betrieben werden und eine Spitzenleistung von bis zu 140 Watt erreichen. Der Gesamtwirkungsgrad der Mikrowellen-Leistungsverstärker, die den Hauptanteil am Energieverbrauch von Basisstationen haben, würde damit von derzeit etwa 15 auf 40 Prozent gesteigert werden. „GaN-Switchmode – GaN-MMICs für Class-S Leistungsverstärker“ heißt der FBH-Projektteil, der vom BMBF im Förderschwerpunkt „mobile GaN“ mit 2,42 Millionen Euro drei Jahre lang gefördert wird.

„Für die hohen Leistungsanforderungen müssen völlig neue Verstärkerarchitekturen entwickelt und bestehende Prozesse angepasst werden“, erläutert Projektleiter Dr. Joachim Würfl vom FBH. Das erfordert sowohl innovative technologische Konzepte als auch ein neues Vorgehen bei Modellierung und Design der Schaltverstärkerstrukturen. Das FBH baut dabei auf Erfahrungen aus früheren GaN-Projekten auf.

Durch die enge Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Lucent Technologies, UMS und EADS ist zudem der bedarfsgerechte, frühzeitige Transfer der Projektergebnisse für die Mobilfunksysteme der nächsten Generation gesichert. Von dem anspruchsvollen Vorhaben erwarten die insgesamt sechs Projektpartner einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil in der Zukunftstechnologie Galliumnitrid. Dieses Halbleitermaterial ist die Basis für breitbandige, lineare Hochleistungsanwendungen und ermöglicht bei Mobilfunk-Basisstationen nicht nur einen niedrigeren Energieverbrauch, sondern zeichnet sich auch durch geringere Verzerrungen aus. Das ist die Voraussetzung für höherstufige Modulationsverfahren und damit noch höhere Datenraten.

Das Projekt im Einzelnen

Das FBH wird aktive Verstärkerbauelemente für Class-S Schaltverstärker entwerfen und technologisch umsetzen. Solche Verstärker kommen immer dann zum Einsatz, wenn ein besonders hoher Wirkungsgrad benötigt wird. Dies erfordert eine Weiterentwicklung der am FBH bestehenden GaN-Technologie in Richtung schnellerer, auf Schaltvorgänge hin optimierter aktiver Komponenten. Als Unterauftragnehmer wird die TU Ilmenau (Prof. Oliver Ambacher) eine explorative Technologieentwicklung bei selbstsperrenden Transistoren (Normally-off) durchführen. Dieser, bislang weltweit in GaN-Technologie noch nicht zufriedenstellend beherrschte Transistortyp ermöglicht gegenüber selbstleitenden Standardtransistoren einfachere Schaltungsarchitekturen. Dadurch ist zu erwarten, dass sich die Eigenschaften der 2-GHz-Schaltverstärker noch weiter verbessern.

Das Gesamtkonzept des Class-S Schaltverstärkers ist modular aufgebaut, so dass die einzelnen Komponenten in der jeweils am besten geeigneten Technologie realisiert werden können. In diesem Zusammenhang werden schnelle Analog-/Digitalwandler in Siliziumgermanium-Technologie am Institut für Halbleiterphysik (IHP) in Frankfurt/Oder aufgebaut. Die TU Ilmenau (Prof. Matthias Hein, Prof. Heiko Thust) entwickelt die Filtertechnik zur Umwandlung des verstärkten Schaltsignals in ein analoges Hochleistungs-Mikrowellensignal. Das Unternehmen EADS in Ulm baut das gesamte Modul mit den entsprechend optimierten Komponenten auf. In diesem Zusammenhang müssen vor allem neue Konzepte zur Wärmeabfuhr der Leistungsbauelemente und zur Erhöhung der elektrischen Güte von passiven Leistungsbauelementen entwickelt werden. Lucent Technologies in Nürnberg erstellt die Spezifikation des Gesamtsystems und führt die Erprobung in der Systemumgebung mit realen Signalen aus dem Mobilfunk durch.

Weitere Informationen und Pressefotos bei:
Petra Immerz, M.A.
Referentin Kommunikation & Marketing
Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik
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