6G mobilkommunikation förväntas bana väg för innovativa applikationer som artificiell intelligens, virtuell verklighet och internet of things till 2030. Detta kommer att kräva en mycket högre prestandakapacitet än den nuvarande 5G-mobilstandarden, med nya hårdvarulösningar. På EuMW 2022 kommer Fraunhofer IAF därför att presentera en energieffektiv GaN-baserad sändarmodul för de 6G-relevanta frekvensområdena över 70 GHz, som utvecklats tillsammans med Fraunhofer HHI. Modulens höga prestanda har redan demonstrerats på Fraunhofer HHI.

Självkörande bilar, telemedicin, automatiserade fabriker – lovande framtida tillämpningar som dessa inom transport, sjukvård och industri är beroende av informations- och kommunikationsteknik som överskrider prestandaomfånget för den nuvarande femte generationens mobilkommunikationsstandard (5G). 6G-mobilkommunikation, som förväntas introduceras 2030, lovar det nödvändiga höghastighetsnätverket för datavolymer som krävs i framtiden, med datahastigheter som överstiger 1 Tbit/s och latenser ner till 100 µs.

Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF och Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute, HHI har arbetat på de nya högfrekvenskomponenterna som behövs för 6G mobilkommunikation sedan 2019 som en del av KONFEKT-projektet ("Components for 6G Communications") ").

Forskarna har utvecklat sändarmoduler baserade på effekthalvledaren galliumnitrid (GaN), med vilka frekvensområdena runt 80 GHz (E-band) och 140 GHz (D-band) kan avlyssnas för första gången med denna teknik. Den innovativa E-bandssändarmodulen, med sin höga prestanda som redan har testats framgångsrikt av Fraunhofer HHI, kommer att presenteras för expertpubliken vid European Microwave Week (EuMW) i Milano, Italien, från 25 till 30 september 2022.

Innovativ hårdvara tack vare bredbandssammansatta halvledare och SLM-processer

"6G kräver nya typer av hårdvara på grund av de höga kraven på prestanda och effektivitet", förklarar Dr Michael Mikulla från Fraunhofer IAF, som koordinerar KONFEKT-projektet. "Komponenter på nuvarande toppnivå når sina gränser. Detta gäller i synnerhet den underliggande halvledarteknologin och monterings- och antenntekniken. För att uppnå bättre resultat i uteffekt, bandbredd och effekteffektivitet använder vi GaN-baserad monolitisk integrerad mikrovågskretsar (MMIC) för vår modul istället för de kiselkretsar som används för närvarande. Som en halvledare med breda bandgap kan GaN bearbeta högre spänningar och möjliggör samtidigt betydligt lägre förluster och mer kompakta komponenter. Dessutom eliminerar vi ytmonterade och plana förpackningsstrukturer för att designa en strålformande arkitektur med lägre förlust med vågledare och inbyggda parallella kretsar."

Fraunhofer HHI är också starkt involverad i utvärderingen av 3D-printade vågledare. Flera komponenter, inklusive kraftdelare, antenner och antennmatare, har designats, tillverkats och karakteriserats med hjälp av den selektiva lasersmältningsprocessen (SLM). Denna process gör det också möjligt att snabbt och kostnadseffektivt tillverka komponenter som inte kan tillverkas med konventionella metoder, vilket banar väg för utvecklingen av 6G-teknik.

"Genom dessa tekniska innovationer tar Fraunhofer-instituten IAF och HHI Tyskland och Europa ett betydande steg framåt mot framtidens mobila kommunikationer, samtidigt som de ger ett viktigt bidrag till inhemsk teknisk suveränitet", säger Mikulla.

Högpresterande sändarmoduler för framtida 6G-frekvensband demonstrerade framgångsrikt

E-bandsmodulen uppnår en linjär uteffekt på 1 W i frekvensområdet från 81 GHz till 86 GHz genom att koppla sändningseffekten från fyra individuella moduler med extremt lågförlustiga vågledarkomponenter. Detta gör den lämplig för bredbandspunkt-till-punkt datalänkar över långa avstånd, vilket är en nyckelfunktion för framtida 6G-arkitekturer.

Olika överföringsexperiment utförda av Fraunhofer HHI har redan visat prestandan hos de gemensamt utvecklade komponenterna:I olika utomhusscenarier sändes signaler som motsvarar de nuvarande utvecklingsspecifikationerna för 5G (5G-NR Release 16 från den globala mobilkommunikationsstandardiseringsorganisationen 3GPP) kl. 85 GHz med en bandbredd på 400 MHz.

Med en tydlig siktlinje överfördes data framgångsrikt över ett avstånd på 600 meter i 64-symbols kvadraturamplitudmodulering (64-QAM), vilket säkerställde en hög bandbreddseffektivitet på 6 bitar/s/Hz. Error Vector Magnitude (EVM) för den mottagna signalen var -24,43 dB, långt under 3GPP-gränsen på -20,92 dB. Med siktlinje blockerad av träd och parkerade fordon kunde 16QAM-modulerad data överföras framgångsrikt över ett avstånd på 150 meter. Även med en helt blockerad siktlinje mellan sändare och mottagare var det fortfarande möjligt att sända och framgångsrikt ta emot fyrfasmodulerad data (Quaternary Phase-Shift Keying, QPSK) med en effektivitet på 2 bitar/s/Hz. Det höga signal-brusförhållandet på ibland mer än 20 dB i alla scenarier är anmärkningsvärt, särskilt med tanke på frekvensområdet, och möjliggörs endast av de utvecklade komponenternas höga prestanda.

I ett andra tillvägagångssätt utvecklades en sändarmodul för frekvensområdet runt 140 GHz, som kombinerar en uteffekt på mer än 100 mW med en extrem bandbredd på 20 GHz. Tester med denna modul väntar fortfarande. Båda sändarmodulerna är idealiska komponenter för utveckling och testning av framtida 6G-system i terahertz-frekvensområdet. + Utforska vidare

Satellit sänder testsignaler i Q- och W-band för första gången