Das Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) soll eine Datenübertragung zwischen Menschen, Geräten und Maschinen in Echtzeit ermöglichen. Eine Technologie für ein zuverlässiges, schnelles und energieeffizientes 5G-Netz gibt es bislang noch nicht. In dem EU-Projekt »5G GaN2« haben sich 17 Partner aus Forschung und Industrie zusammengeschlossen, um kostengünstige und leistungsstarke Technologien auf Basis von Galliumnitrid für den kommenden Mobilfunkstandard zu entwickeln. Im Juli 2018 nahm das Konsortium, zu dem auch das Fraunhofer IAF gehört, seine Arbeit auf.

Bislang kommunizieren hauptsächlich Menschen über das drahtlose Funknetz. Im Mobilfunknetz der fünften Generation (5G) sollen auch Autos, Geräte und Produktionsmaschinen Daten in Echtzeit übertragen. Um diese hohe Datenrate zu bewältigen, werden in Zukunft auch Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich (>24 GHz) genutzt. Sie stellen eine zehnmal höhere Bandbreite bereit als die bislang verfügbaren Frequenzbänder (< 3 GHz) und sind nun international freigegeben, um die Bandbreitenbereiche signifikant zu steigern. Mit der derzeitigen Mobilfunk- und Antennentechnologie können diese neuen Frequenzbereiche jedoch noch nicht effizient bedient werden. »Daher ist es notwendig, für diese neuen Frequenzbänder die verfügbare Ausgangsleistung und die Energieeffizienz der Netzinfrastruktur durch den Einsatz von fortschrittlicher Galliumnitrid-Technologie zu erhöhen«, sagt Dr. Dirk Schwantuschke, der das Projekt seitens des Fraunhofer IAF leitet. In dem Projekt »5G GaN2« sollen Komponenten, Bauteile und Schaltungen für 5G-Basisstationen auf Basis von Galliumnitrid (GaN) entwickelt werden. »Der Beitrag des Fraunhofer IAF an dem Gesamtvorhaben wird die Entwicklung von Leistungsverstärkern im E-Band, dem Frequenzbereich um 80 GHz, sein«, erklärt Schwantuschke.

Kosten senken und Leistung steigern

Basisstationen sind die Knotenpunkte der Mobilfunknetze. Sie nehmen die gesendeten Daten einer Funkzelle auf und leiten sie weiter. Um in Zukunft eine hohe Datenflut über Frequenzbänder im Millimeterwellenbereich zu gewährleisten, müssen die Technologien der Basisstationen zwei Kriterien erfüllen: Die Ausgangsleistung muss gesteigert werden, während Kosten und Energieverbrauch niedrig bleiben. Um das zu erreichen, setzen die Projektpartner von »5G GaN2« auf GaN-basierte Technologien und Verstärkerschaltungen. Elektronische Bauteile und Systeme auf Basis von GaN sind wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Bauelemente aus Silicium (Si). Wahlweise sollen die GaN-Bauteile auf kostengünstigen Si-Substraten aufgebracht werden. Ebenso geht es in dem Projekt darum, mithilfe von innovativen Ansätzen in Bezug auf die Aufbautechnik verschiedene Bauelemente in einem Gehäuse zu vereinen, um so Kosten zu reduzieren.

Ziel des Projektes ist die Realisierung von Demonstratoren bei 28 GHz, 38 GHz und 80 GHz. Diese Demonstratoren sollen als Schlüsseltechnologien die Entwicklung eines leistungsstarken und energieeffizienten 5G-Mobilfunknetzes auf Basis von GaN vorantreiben. ECSEL, eine Initiative der Europäischen Kommission, fördert das auf drei Jahre angelegte Gemeinschaftsprojekt von 17 Projektpartnern aus sieben Ländern. ECSEL unterstützt die Entwicklung, Forschung und Innovation auf dem Gebiet der Elektronik, indem es verschiedene Partner aus Industrie, Forschung und dem öffentlichen Sektor zusammenbringt.

Entwicklung von Leistungsverstärkern am Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF hat besonderes Know-how in der Entwicklung von Leistungsverstärkern auf Basis von GaN. »Für leistungsfähige Hochfrequenzverstärker, wie sie für die Basisstationen und die Infrastruktur der Mobilfunknetze benötigt werden, eignet sich GaN in besonderem Maße, da damit hohe Frequenzen bei großer Leistung verarbeitet werden können. Die hier am Fraunhofer IAF entwickelten Leistungsverstärker sind in der Lage, mehr Daten schneller und energieeffizienter durch das Mobilfunknetz zu schicken«, so Schwantuschke.

Neben dem Fraunhofer IAF umfasst das Konsortium des Projektes die gesamte Wertschöpfungskette der Mobilfunktechnologie: Waferlieferanten, Halbleiterhersteller und Systemintegratoren entwickeln zusammen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen neue GaN-basierte Technologien für das Mobilfunknetz der fünften Generation.

Mehr Informationen zu dem Projekt finden Sie auf der Webseite https://www.5ggan2.eu/