5G wird energieeffizienter

Erste volldigitale Transmitterkette für den 5G-Mobilfunk

| Redakteur: Michael Eckstein

Das FBH bringt 5G das Stromsparen bei: Neuartige Leistungsverstärker und Spannungsversorgungen sollen helfen, den Stromverbrauch moderner Informations- und Kommunikationstechnologien wie 5G zu reduzieren.

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Effizienter funken: Digitaler Leistungsverstärker des FBH für die mobile Kommunikation.
Effizienter funken: Digitaler Leistungsverstärker des FBH für die mobile Kommunikation.
(Bild: FBH/P. Immerz)

Aktuell sind Informations- und Kommunikationstechnologien für rund fünf Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich – Tendenz steigend. Allein in der Telekommunikation steigt der Bedarf jährlich um etwa zehn Prozent. Dazu tragen auch Systeme für den im Aufbau befindlichen neuen Mobilfunkstandard 5G bei. Diese nutzen höhere Frequenzen und ermöglichen dadurch eine größere Signalbandbreite, benötigen aber eine deutlich höhere Dichte an Basisstationen.

Das Ferdinand-Braun-Institut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) präsentiert zwei Ansätze, die die Energieeffizienz solcher 5G-Systeme verbessern sollen: Erstens eine durchgängig digitale Transmitterarchitektur, zweitens eine neuartige Modulation der Versorgungsspannung für Linearverstärker.

Für die 5G-Kommunikationstechnik entwickelt das Institut digitale Leistungsverstärker mit effizienten Verstärker-Chips, die es mithilfe des eigenen 0,25-µm-GaN-HEMT-Prozess fertigt. Auf Basis dieser Chips hat das FBH nun die nach eigenen Angaben erste volldigitale Transmitterkette realisiert, die breitbandige Signale mit hoher Effizienz und Linearität erfolgreich überträgt. Demnach erreicht die Kette 47 Prozent bei mehr als 52 dB Adjacent Channel Leakage Power Ratio (ACLR, deutsch: Nachbarkanalleistung). Der kompakte digitale Transmitter soll sich besonders für Mehrantennensysteme (Massive MIMO) eignen, bei denen er auf der Rückseite der Antenne montiert wird.

Modulierte Versorgungsspannung für 5G

Als zweiten Ansatz entwickelt das FBH Systeme, deren Versorgungsspannung moduliert ist und die sich sowohl für 5G auch Satellitenkommunikation eignen. Die Module verstärken nach Angaben des Instituts sehr effizient Signale mit extremen Modulationsbandbreiten. So hat das FBH zusammen mit der Europäischen Weltraumagentur ESA einen neuartigen Envelope-Tracking (ET)-Demonstrator für die Kommunikation im Weltraum bei 1,62 GHz entwickelt. Der Verstärker hat eine Spitzenausgangsleistung von mehr als 90 W bei einer Modulationsbandbreite von 40 MHz. Mit einem 8,6 PAPR-Signal liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 40%.

Konzepte mit modulierter Versorgungsspannung werden jetzt auch auf Millimeterwellen-Verstärker übertragen, was für 5G-Basisstationen interessant ist. Das FBH hat ein entsprechendes Modul entwickelt, das aus zwei identischen Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC) besteht, die in Reihe geschaltet sind. Diese bestehen jeweils aus einem einstufigen Verstärker mit integriertem zweistufigem Spannungsschalter. Laut FBH arbeitet das Modul im Bereich von 20 bis 26 GHz mit 14 dB Verstärkung und mehr als 2 W/mm bei einer Versorgungsspannung von 20 V.

Bildgebendes MIMO-Radar für Objektverfolgung

Für die Satellitensensorik entwickelt das FBH zudem ein modulares MIMO-Radar für den Frequenzbereich von 85 bis 95 GHz. Dieses basiert auf dem InP-Transfersubstrat-DHBT-Prozess des Instituts. Das bildgebende Radar soll künftig Objekte im Nahbereich von Satelliten orten und verfolgen. Dafür haben die FBH-Experten ein Chipset entwickelt und in ein Modul integriert. Das Chipset verwendet nach eigenen Aussagen neuartige MMICs mit einer hohen Ausgangsleistung von mehr als 15 dBm, einer niedrigen Rauschzahl (Noise Figure, NF) kleiner 9 dB und einer Frequenzumsetzung bis in das Basisband.

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