Hlavní komponenty pro technologická řešení budoucnosti – od heterointegrovaných čipů po digitální zesilovače výkonu

Digitální modul zesilovače výkonu pro 5G, mobilní komunikaci budoucnosti (© FBH/schurian.com) / Modul digitálního výkonového zesilovače pro 5G, mobilní komunikaci budoucnosti (© FBH/schurian.com)

Heterointegrové integrované obvody, které spojují výhody dvou technologických světů: vysoký výstupní výkon indium phosphidu s komplexností křemíkové technologie (© FBH/schurian.com) / Heterointegrové obvody, kombinující výhody dvou technologických světů: vysoké výstupní výkony indium phosphidu s složitostí křemíkové technologie (© FBH/schurian.com)

Výběr aktuálních vývojů a novinek jeho výkonových zesilovačů, obvodů a heterointegrovanych čipů představuje Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) na veletrhu „Productronica“ v Mnichově od 14. do 17. listopadu 2017 v hale B2, stánek 317. Leibniz-Institut se představí na společném stánku výzkumné továrny Mikroelektronik Deutschland, kterou financuje Spolkové ministerstvo školství a výzkumu (BMBF). Společně s partnery z Fraunhofer Verband Mikroelektronik a Leibniz-Institut IHP zde představí své produkty.

FBH nabízí kompletní hodnotový řetězec ve vlastním domě: od návrhu přes čipy až po moduly. Na stánku jsou k vidění například heterointegrovány čipy pro terahertzové aplikace, které spojují výhody dvou technologických světů na úrovni čipu: vysoké výstupní výkony indiumfosfidových technologií s komplexností siliconové technologie. Další exponáty směřují k digitalizaci a budoucímu mobilnímu standardu 5G, například digitální výkonové zesilovače, které kombinují efektivní řízení výkonu s nejvyšší flexibilitou a pracují v širokém pásmu.

Vytěžení frekvenčních hranic a kombinace výhod s heterointegrovanymi čipy

Frekvence v sub-terahertzové oblasti se dostávají do popředí, pokud jde o výkonnou komunikaci budoucnosti. Pro to jsou potřeba bezdrátové přenosové trasy v rozmezí frekvencí 100 až 500 GHz, které zvládnou stále narůstající objem dat na krátké vzdálenosti. Další aplikace v této frekvenční oblasti zahrnují kontrolu materiálů, bezpečnostní techniku při kontrole osob a zavazadel, stejně jako vysoce rozlišovací radarovou techniku pro jemné robotické aplikace. Takové systémové aplikace vyžadují elektronické obvody, které poskytují vysoký výstupní výkon v sub-terahertzové oblasti. Jelikož je však nelze realizovat konvenčním polovodičovým technologiím, FBH využívá polovodičový materiál indiumfosfid (InP) pro integrované obvody. InP heterobipolární tranzistory (InP-HBT) dosahují současných mezních frekvencí přes 500 GHz (fmax) při kolektorovém proudu 20 mA. Průrazné napětí je nad 4 V, což umožňuje vysoký výstupní výkon. V rámci iniciativy BMBF, která byla zahájena v dubnu, buduje FBH procesní linku pro výrobu InP obvodových waferů na nejmodernějších zařízeních s průmyslovou kvalitou. Tato linka také umožňuje společně s Leibniz-Institut IHP integrovat InP-DHBT obvody na silicon-germaniumové technologii BiCMOS. To umožňuje kombinovat vysoké výstupní výkony InP s komplexností siliconové technologie. Tím lze realizovat vysoce frekvenční moduly na jednom čipu, což je klíčové pro přenosná a cenově dostupná systémová řešení. Tento proces je také nabízen externím zákazníkům jako služba foundry.

Komponenty pro mobilní standard budoucnosti 5G

Pro přípravu technické infrastruktury základnových stanic na 5G je třeba, aby byly hardwarové komponenty efektivnější a flexibilnější. To lze například dosáhnout zvýšením digitálního podílu. Zaměření je především na výkonové zesilovače, protože ty určují efektivitu celého systému a tím i provozní náklady. Dosud jsou pro různé komunikační standardy a frekvence potřeba samostatné moduly. FBH již několik let vyvíjí nové digitální architektury zesilovačů, které spojují efektivní řízení výkonu s nejvyšší flexibilitou a pracují v širokém pásmu. Dlouhodobým cílem je plně digitálně realizovaný vysílač, který může obsluhovat všechny frekvenční pásma na jednom čipu. Doplňkově FBH zkoumá výkonné modulační a kódovací metody, které zásadně ovlivňují vlastnosti digitálních zesilovačů. Vyvinuli nový modulátor, který lze realizovat běžnými digitálními součástkami a který může generovat signály podle různých modulačních metod.

Digitální výkonové zesilovače od FBH již dosahují konkurenceschopných hodnot z hlediska celkové účinnosti a linearity ve srovnání s etablovanými analogovými koncepty, například Dohertyho. Nedávno vyvinutý výkonový zesilovač nabízí vysokou celkovou účinnost přes 40 % při PAPR 10 dB v oblasti kolem 1 GHz.

Další varianta digitalizace výkonových zesilovačů je Discrete Envelope Tracking (ET). Při ní se upravuje napájecí napětí zesilovače, aby se zajistila dobrá energetická účinnost – i přes výrazné kolísání okamžitého výkonu u moderních širokopásmových modulačních metod. U Discrete Envelope Tracking je tato variace realizována diskrétně, což znamená, že se přepíná pouze mezi několika stálými napěťovými hodnotami. Tato digitalizovaná verze ET vede k velmi efektivním a širokopásmovým řešením. Nedávno na FBH byly dosaženy nové mezinárodní rekordy s modulační šířkou 120 MHz u zesilovače s výkonem 75 W pro 1,8 GHz. Koncept ET je také relativně snadno přenositelný na millimetrové vlnové zesilovače, což je klíčové pro základnové stanice 5G.