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Verstärker für Mobilfunk der Zukunft - 5G

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Interview mit Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)

14.11.2017

Für den zukünftigen Mobilfunkstandard 5G zeigt das Ferdinand-Braun-Institut (FBH) auf der Productronica Verbesserungen, die "die Digitalisierung in der drahtlosen Infrastruktur vorantreiben". Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des FBH, erklärt im Gespräch mit DIE MESSE, worum es sich dabei genau dreht, und worauf er selbst gespannt ist.

 - Digitales Leistungsverstärker-Modul für den künftigen Mobilfunkstandard 5G, 
die Zukunft der mobilen Kommunikation
© FBH / schurian.com
Digitales Leistungsverstärker-Modul für den künftigen Mobilfunkstandard 5G, die Zukunft der mobilen Kommunikation

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), ist auf der Messe Productronica in Halle B2, Stand 317 zu finden. Sie sind an einem Gemeinschaftsstand der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) und stellen dort gemeinsam mit den Partnern aus dem Fraunhofer Verbund Mikroelektronik und dem Leibniz-Institut IHP aus. Welche Schwerpunkte setzen Sie in München?
Wir kommen mit zwei Highlights aus unserem Forschungsbereich III/V-Elektronik nach München. Das sind zum einen heterointegrierte Chips für Terahertz-Anwendungen, die die Vorteile zweier Technologiewelten auf Chipebene vereinen: die hohen Ausgangsleistungen von Indiumphosphid mit der Komplexität der Siliziumtechnologie. Sie sind das Ergebnis einer Kooperation mit einem auf Silizium spezialisierten Leibniz-Institut, dem IHP, und damit ein exzellentes Beispiel für die Möglichkeiten im Rahmen der Forschungsfabrik FMD. Zum anderen präsentieren wir digitale Leistungsverstärker, die effizientes Leistungsmanagement und hohe Flexibilität verbinden und die Digitalisierung in der drahtlosen Infrastruktur vorantreiben.

 - Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
© FBH / Katja Bilo
Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)

Das FBH in Berlin arbeitet seit Jahren an der Entwicklung hochleistungsfähiger Halbleitertechnologie, die den sub-Terahertz-Frequenzbereich nutzt und so das zunehmende Datenaufkommen bewältigen kann. Dazu informieren Sie auch auf der Productronica. Was ist das Besondere an dieser Technologie und welche Anwendungsgebiete gibt es?
Das besondere Merkmal der III-V-Halbleitertechnologie ist, dass man damit auch bei hohen Frequenzen noch relativ große Ausgangsleistungen erreichen kann. Das liegt an der im Vergleich zu Silizium-Bauelementen höheren Durchbruchspannung, die beispielsweise für die von uns verwendeten InP-Heterobipolartransistoren (InP-HBTs) bei Grenzfrequenzen von über 500 GHz (fmax) noch oberhalb von vier V liegen. Im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland wird eine Prozesslinie aufgebaut, um diese InP-Schaltkreiswafer im industriellen Qualitätsmaßstab herzustellen. Neben der Datenübertragung liegen die Haupt-Einsatzbereiche für diese Technologie in der Materialprüfung, in der Sicherheitstechnik, zum Beispiel bei Personen- und Gepäckkontrollen, sowie der hochauflösenden Radartechnik für präzise Robotik-Anwendungen.

Ihr Institut hat auch digitale Leistungsverstärker für den zukünftigen Mobilfunkstandard 5G entwickelt, die inzwischen eine zufriedenstellende Gesamteffizienz aufweisen. Warum stellt diese Technik für den 5G-Standard eine Verbesserung dar?
Der künftige Mobilfunk-Standard 5G beinhaltet eine Vielzahl von technischen Neuerungen gegenüber den derzeitigen Generationen. Dazu zählt die starke Zunahme der Basis-Stationen und die Anforderung, diese flexibel einsetzen zu können. Das lässt sich durch eine Erhöhung des Anteils von digitalen Komponenten erreichen. Im Fokus stehen dabei die Leistungsverstärker, da diese die Effizienz des Gesamtsystems und damit auch die Betriebskosten dominieren.
Bislang werden für unterschiedliche Kommunikationsstandards und Frequenzen jeweils eigene Module benötigt. Das FBH entwickelt seit einigen Jahren neue digitale Verstärkerarchitekturen, die ein effizientes Leistungsmanagement mit hoher Flexibilität verbinden. Langfristiges Ziel ist der komplett digital realisierte Transmitter, bei dem ein Chip alle Frequenzbänder bedienen kann. Ergänzend untersucht das FBH leistungsfähige Modulations- beziehungsweise Kodierungsverfahren, die die Eigenschaften von digitalen Verstärkern entscheidend beeinflussen. Das FBH hat dazu einen neuartigen Modulator entwickelt, der sich mit gängigen Digitalbausteinen realisieren lässt und Signale nach den verschiedensten Modulationsverfahren erzeugen kann.

Welche weiteren Neuheiten zeigen Sie auf der Productronica?
Wir zeigen einen Chip einer Terahertz-Kamera, wie sie zum Beispiel bei der industriellen Qualitätskontrolle oder in der Spektroskopie benötigt wird.
Das Besondere daran ist, dass die Einzeldetektoren auf plasmonischen Effekten basieren. Sie bestehen aus Transistoren, die direkt in die Empfangsantennen integriert sind. Die Transistoren können Signale im Bereich um ein THz detektieren, obwohl sie mit einem Halbleiterprozess realisiert werden, der nur ein Zehntel dieser Frequenz erreicht.
Eine weitere Neuheit ist ein Fotodetektor, bei dem die Empfangsdiode direkt mit einem ultra-breitbandigen InP-Transimpedanzverstärker integriert ist, und der deshalb besonders hohe Datenraten verarbeiten kann. Das ist ein Thema, das wir im Rahmen der FMD gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut HHI verfolgen.

Die Productronica gilt als Leistungsschau der Branche. Auf welche Innovationen sind Sie persönlich in diesem Jahr besonders gespannt?
Für das Ferdinand-Braun-Institut ist es der erste Besuch der Productronica, gemeinsam mit unseren Partnern aus der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland. Wir sind daher besonders neugierig, wie die Besucher auf unser Angebot reagieren. Außerdem sind wir gespannt, welche neuen Tools für unsere Forschungsgebiete vorgestellt werden. Im Wesentlichen geht es dabei um Equipment für die Halbleiterprozessierung und um hochfrequente elektrische Messtechnik.

Herr Prof. Tränkle, vielen Dank für das Gespräch.