Zukunft des Mobilfunks: Galliumnitrid für 5G

Leistungsverstaerker aus Galliumnitrid

Leistungsverstärker aus Galliumnitrid

Weltweit werden immer mehr Daten per Funk übertragen – das Datenvolumen pro Nutzer wächst exponentiell. Gründe sind die wachsende Anzahl von Smart Phones, aber auch Trends wie Car-to-Car (C2C) oder Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M). Hierbei müssen Autos bzw. Maschinen Informationen in höchster Geschwindigkeit miteinander austauschen. Ab 2020 soll der neue 5G-Mobilfunkstandard schnelle, energieeffiziente Übertragung von Daten ermöglichen. Die Technologie dafür: Hochfrequenz-Leistungsverstärker aus dem Halbleiter Galliumnitrid.

„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.“

Industrie 4.0 oder autonomes Fahren benötigen jedoch Funkkommunikation in Echtzeit – Datenübertragungsraten von 10 Gigabit pro Sekunde. Zum Vergleich: Der heutige 4G-LTE-Mobilfunkstandard ist für maximal 300 Megabit pro Sekunde ausgelegt und nicht echtzeitfähig. Mobile Nutzer surfen im Schnitt mit einer durchschnittlichen Spitzenrate von 50 Megabit pro Sekunde im Internet.

Technologien für höhere Frequenzen

Im Mobilfunknetz sind Basisstationen das Nadelöhr, durch das alle Daten müssen. Das IAF will dieses Nadelöhr breiter machen. Die Forscher entwickeln Leistungsverstärker, die mehr Daten schneller und energieeffizienter durch das Mobilfunknetz schicken. Sie stellen die notwendigen Funkfrequenzen bereit, über die Daten übertragen werden. Für 5G werden im ersten Schritt zusätzliche Funkfrequenzen bis 6 Gigahertz freigemacht.

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

Auch die Energieeffizienz der Mobilfunkkommunikation muss für 5G deutlich steigen. Denn die Übertragung von Daten per Funk kostet Energie für jedes übertragene Bit – das alleine sind bis zu 15 Prozent der Mobilfunkrechnung. Jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten, konstanten Energiebetrag, wenn es per Funk übertragen wird. Und mit 5G sollen im Vergleich zu heute 200 Mal mehr Bits mit vergleichbarer Energie übertragen werden.

Funkwellen punktgenau ausrichten

Wie kann also künftig Energie eingespart werden? Aktuell können Basisstationen nur mit sehr hohem Energieaufwand hohe Datenraten übertragen. Der Grund: Sie pusten Funkwellen ungerichtet in die Luft. Die neuen steuerbaren Antennen und GaN-basierten Leistungsverstärker sollen Informationen dagegen punktgenau auf den Empfänger richten. Das spart viel Energie. Bestückt mit der Technologie der Freiburger Forscher richten sich die Antennen der Basisstationen elektronisch zum Empfänger hin aus.

Für Nachschub an GaN ist immer gesorgt: Die Rohstoffe stehen in großen Mengen zur Verfügung. Stickstoff kann aus der Luft gewonnen werden und Gallium ist Abfallprodukt bei der Metallverarbeitung. GaN ist zudem wichtiger Bestandteil von blauen und weißen LEDs – mit dem Erfolg dieser Lichttechnologie wird auch die Herstellung von GaN immer günstiger.

© Foto Fraunhofer IAF