Mit GaN zum Supernetz

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Der neue Mobilfunkstandard 5G will ab 2020 Verbraucher und Unternehmen gleichermaßen glücklich machen. Nur leider fehlt noch die Technologie dafür. Ein EU-Projekt soll nun auf Basis von Galliumnitrid für das nötige „Equipment“ sorgen.

Ende der 50er Jahre war das noch analoge A-Netz der alten Bundesrepublik das größte öffentliche Mobilfunknetz der Welt. Ein „Fräulein vom Amt“ vermittelte damals gerade einmal zehntausend Teilnehmer. Danach kamen das B-Netz und schließlich 1985 mit dem C-Netz das erste zumindest teilweise digitale Mobilfunknetz. Das D-Netz (2G, GSM) erlaubte dann 1992 die mobile Datenübertragung. Mit 3G (UMTS) und besonders dem aktuellen 4G (LTE) erhöhten sich die Datenraten signifikant. Immer aber stand dabei der Nutzer eines Mobiltelefons im Fokus der Betreiber.

 

Im Netz der fünften Generation (5G) sollen nun auch Autos, Geräte und Produktionsmaschinen Daten übertragen. Um die dafür benötigten Datenübertragungsraten von 10 Gbit/s zu erreichen, müssen die Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich (>24 GHz) arbeiten. Dort stellen sie eine zehnmal höhere Bandbreite zur Verfügung, als bislang verwendete Frequenzbänder (< 3 GHz). Nicht weniger wichtig ist eine um den Faktor 40 verkürzte Signalverzögerung (Latenz). Sie beträgt dann nur noch eine Millisekunde, was zukünftige Anwendungen wie etwa das autonome Fahren erst möglich macht.

GaN für schnelle Netze

Die derzeitige Mobilfunk- und Antennentechnologie in den Basisstationen ist dafür aber nicht ausgelegt. In Zukunft muss sie dort drei Kriterien erfüllen: Höhere Ausgangsleistung, niedrige Kosten und geringer Energieverbrauch. Um das zu erreichen, entwickeln 17 Partner aus Forschung und Industrie im EU-Projekt „5G GaN2“ auf Basis der Galliumnitrid (GaN)-Technologie des Fraunhofer IAF Verstärkerschaltungen. Denn Bauteile aus dem sogenannten „III-V-Halbleiter mit großem Bandabstand“ (Wide-Bandgap-Material) vertragen höhere Spannungen und Temperaturen ihre Siliziumpendants und sind dabei wesentlich energieeffizienter. Die Rohstoffe Gallium und Stickstoff stehen in großen Mengen zur Verfügung, und die Entwicklung von blauen und weißen LEDs haben die Herstellung von GaN immer günstiger gemacht. 2014 war das Material sogar am Nobelpreis für Physik beteiligt. Den erhielten die drei Japaner Akasaki, Amano und Nakamura für ihre Entwicklung der blauen LED auf GaN-Basis, 22 Jahre vorher.

Für leistungsfähige Hochfrequenzverstärker in den Basisstationen kommender Mobilfunknetze eignet sich GaN also in besonderem Maße. Aber auch wer heute mit seinem Smartphone via LTE mit der Welt verbunden ist, könnte schon von einem GaN-Hochfrequenz-Verstärker im unteren Gigahertz-Bereich ein Datenpaket empfangen haben. In Zukunft muss es allerdings schneller gehen. Deshalb entwickelt nun das EU-Projekt „5G GaN2“ Demonstratoren für die Bereiche 28 GHz, 38 GHz und 80 GHz.

 


Erfahren Sie mehr über neue Halbleitertechnologien in den Hallen A4, B4-5, C3-6.

Galliumnitrid (Bild: Fraunhofer IAF).

Der E-Band-Verstärker ist nur 4 x 2,5 mm² groß. (Bild: Fraunhofer IAF).