Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Leistungsverstärker aus Galliumnitrid für 5G

02.08.2016

Daten per Funk zu übertragen ist zuverlässig und günstig. Das Datenvolumen pro Nutzer aber wächst exponentiell. Nicht nur durch die stetig wachsende Anzahl von Smart Phones, sondern insbesondere durch Trends wie Car-to-Car (C2C) oder Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation – Autos und Maschinen, die Informationen in höchster Geschwindigkeit miteinander austauschen müssen. Der neue 5G-Mobilfunkstandard soll für die schnelle, energieeffiziente Übertragung von Daten ab 2020 sorgen. Dafür baut Fraunhofer neue Hochfrequenz-Leistungsverstärker aus dem Halbleiter Galliumnitrid.

Mindestens acht Milliarden über Mobilfunk vernetzte mobile Geräte gibt es aktuell weltweit*. Chatten mit Freunden und der Familie, unterwegs Videos anschauen, online spielen oder einfach im Internet surfen – das funktioniert reibungslos und preiswert. Aber wird das auch bei einer wachsenden Zahl von Nutzern und dem damit steigendem Datenvolumen so bleiben?


Der acht Quadratmillimeter große Leistungsverstärker des Fraunhofer IAF funkt auf einer Frequenz von 5,8 Gigahertz.

© Fraunhofer IAF

»Wir stehen an einer Schwelle«, sagt Rüdiger Quay vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. »Bisher sind es vor allem Menschen, die drahtlos über das Internet miteinander kommunizieren. Zukünftig kommen Autos, Geräte oder Produktionsmaschinen dazu.« Für diese Visionen von der Industrie 4.0 oder dem autonomen Fahren ist jedoch Funkkommunikation in Echtzeit notwendig. Benötigt werden Datenübertragungsraten von 10 Gigabit pro Sekunde.

Der heutige 4G-LTE-Mobilfunkstandard ist jedoch maximal für 300 Megabit pro Sekunde ausgelegt und nicht echtzeitfähig. Aktuell wird im Schnitt mobil mit einer durchschnittlichen Spitzenrate von 50 Megabit pro Sekunde im Internet gesurft. Deswegen arbeiten Mobilfunkanbieter und Netzwerkausrüster zusammen mit Forschern am leistungsfähigeren Standard 5G. Er soll es beispielsweise ermöglichen, Live-Videos in hoher Qualität mobil zu übertragen.

Technologien für höhere Frequenzen entwickeln

Wichtiger Baustein im Mobilfunknetz sind die Basisstationen. Sie sind das Nadelöhr, durch das alle Daten müssen. Das IAF hat besonderes Know-how, dieses Nadelöhr breiter zu machen. Die Forscher entwickeln Leistungsverstärker, die in der Lage sind, mehr Daten schneller und energieeffizienter durch das Mobilfunknetz zu schicken. »Neue Leistungsverstärker stellen die notwendigen Funkfrequenzen bereit, über die Daten übertragen werden«, erklärt Quay. Für 5G werden im ersten Schritt zusätzliche Funkfrequenzen bis 6 Gigahertz freigemacht.

Für LTE ist bisher bei 2,7 Gigahertz Schluss. »Höhere Frequenzen bedeuten eine schnelle Datenübertragung, aber leider auch weniger verfügbare Leistung für die Sender«, sagt Quay. Die Wissenschaftler fertigen die wenige Quadratmillimeter großen Mikrochips daher aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN). »Durch seine spezielle Kristallstruktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt, sprich mehr Leistung erzielt werden«, sagt Quay. Im EU-Projekt Flex5Gware testet das Institut Prototypen bis zu Frequenzen von 6 Gigahertz bereits erfolgreich.

Die Übertragung von Daten per Funk kostet Energie für jedes übertragene Bit. »Das macht alleine bis zu etwa 15 Prozent unserer Mobilfunkrechnung aus«, erklärt Quay. Jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten, konstanten Energiebetrag, wenn es per Funk übertragen wird. Mit 5G sollen im Vergleich zu heute 200 Mal mehr Bits mit vergleichbarer Energie übertragen werden.

»Für 5G muss die Energieeffizienz der Mobilfunkkommunikation daher alleine aus Gründen der Nachhaltigkeit deutlich steigen«, sagt Quay. Aktuell können Basisstationen nur mit sehr hohem Energieaufwand hohe Datenraten übertragen. Der Grund: Sie pusten Funkwellen ungerichtet in die Luft. Mit neuen steuerbaren Antennen und GaN-basierten Leistungsverstärkern erreichen Informationen dagegen punktgenau den Empfänger. Das spart eine große Menge an Energie. Bestückt mit der Technologie der Freiburger Forscher richten sich die Antennen der Basisstationen elektronisch zum Empfänger hin aus. »Sie funktionieren wie das menschliche Ohr: Wir wissen aus welcher Richtung Geräusche kommen, ohne unseren Kopf zu drehen«, erklärt der Physiker.

Die Rohstoffe für GaN stehen in großen Mengen zur Verfügung. Stickstoff kann aus der Luft gewonnen werden und Gallium ist Abfallprodukt bei der Metallverarbeitung. GaN ist wichtiger Bestandteil von blauen und weißen LEDs. Der Erfolg dieser Lichttechnologie hat dazu beigetragen, dass die Herstellung von GaN immer günstiger wird. Mittlerweile übersteigen die Stromeinsparungen im Betrieb die Produktionskosten des im Vergleich zum Silizium noch teureren GaN.

Weitere Informationen:

http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2016/august/leistungsvers...

Michael Teiwes | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Graduiertenschule HyPerCells entwickelt hocheffiziente Perowskit- Dünnschichtsolarzelle
17.08.2017 | Universität Potsdam

nachricht Lasersensoren LAH-G1 – Optische Abstandssensoren mit Messwertanzeige
15.08.2017 | WayCon Positionsmesstechnik GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten