Componentes centrales para soluciones tecnológicas del futuro – desde chips heterointegrados hasta amplificadores digitales de potencia

Módulo amplificador de potencia digital para 5G, la comunicación móvil del futuro (© FBH/schurian.com) / Módulo amplificador de potencia digital para 5G, la comunicación móvil del futuro (© FBH/schurian.com)

Circuitos heterointegrados que combinan las ventajas de dos mundos tecnológicos: las altas potencias de salida del fosfuro de indio con la complejidad de la tecnología de silicio (© FBH/schurian.com) / Circuitos heterointegrados, que combinan las ventajas de dos mundos tecnológicos: las altas potencias de salida del fosfuro de indio con la complejidad de la tecnología de silicio (© FBH/schurian.com)

Una selección de desarrollos actuales en amplificadores de potencia, circuitos y chips heterointegrados presenta el Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), en la feria especializada "Productronica" en Múnich del 14 al 17 de noviembre de 2017 en el pabellón B2, stand 317. El instituto Leibniz se presenta en el stand conjunto de la fábrica de investigación financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) llamada Mikroelektronik Deutschland. Allí presenta, junto con los socios del consorcio Fraunhofer Mikroelektronik y el instituto Leibniz IHP.

El FBH ofrece toda la cadena de valor en su propia sede: desde el diseño hasta los chips y módulos. En el stand se pueden ver, entre otros, chips heterointegrados para aplicaciones en terahercios, que combinan las ventajas de dos mundos tecnológicos a nivel de chip: las altas prestaciones de Indiofosfuro con la complejidad de la tecnología de silicio. Otros expositores están enfocados en la digitalización y en el futuro estándar de telefonía móvil 5G, como amplificadores de potencia digitales que combinan una gestión eficiente de energía con la máxima flexibilidad y operan en banda ancha.

Exprimir los límites de frecuencia y combinar ventajas con chips heterointegrados

Las frecuencias en el rango sub-terahercios están en el foco cuando se trata de la comunicación potente del futuro. Para ello, se necesitan enlaces de transmisión inalámbrica en el rango de frecuencia entre 100 y 500 GHz, que puedan gestionar el volumen de datos en aumento significativo para distancias cortas. Otras aplicaciones en este rango de frecuencia incluyen la inspección de materiales, la seguridad en controles de personas y equipaje, así como la tecnología de radar de alta resolución para aplicaciones en robótica delicada. Tales aplicaciones del sistema requieren circuitos electrónicos que proporcionen una alta potencia de salida en el rango sub-terahercios. Como no pueden realizarse con la tecnología convencional de semiconductores, el FBH utiliza el material semiconductor Indiofosfuro (InP) para circuitos integrados. Los transistores bipolares heterointegrados de InP (InP-HBT) alcanzan actualmente frecuencias de límite superiores a 500 GHz (fmax) con una corriente de colector de 20 mA. La tensión de ruptura está por encima de 4 V y permite una alta potencia de salida. Dentro de la iniciativa de la BMBF iniciada en abril, Mikroelektronik Deutschland, el FBH está desarrollando una línea de proceso para fabricar obleas de circuitos InP en instalaciones modernas con calidad industrial. La línea de proceso también incluye la opción de integrar circuitos InP-DHBT en tecnología de silicio-germanio BiCMOS junto con el instituto Leibniz IHP. Esto permite combinar las altas potencias de InP con la complejidad de la tecnología de silicio. De esta manera, se pueden realizar módulos de alta frecuencia en un chip, lo cual es decisivo para aplicaciones portátiles y económicas. Este proceso también se ofrece a clientes externos como servicio de fundición.

Componentes para el estándar de telefonía móvil del futuro 5G

Para adaptar la infraestructura técnica de las estaciones base para 5G, los componentes de hardware deben ser más eficientes y flexibles. Esto se puede lograr, entre otras cosas, aumentando la proporción digital. El foco principal está en los amplificadores de potencia, ya que estos dominan la eficiencia del sistema completo y, por lo tanto, también los costos operativos. Hasta ahora, se necesitan módulos específicos para diferentes estándares de comunicación y frecuencias. El FBH ha estado desarrollando durante varios años nuevas arquitecturas digitales de amplificadores que combinan una gestión eficiente de la potencia con la máxima flexibilidad y operan en banda ancha. El objetivo a largo plazo es un transmisor completamente digital, en el que un solo chip pueda cubrir todas las bandas de frecuencia. Además, el FBH investiga métodos de modulación y codificación de alto rendimiento que influyen decisivamente en las propiedades de los amplificadores digitales. Para ello, el FBH ha desarrollado un modulador innovador que puede realizarse con componentes digitales comunes y generar señales según diversos métodos de modulación.

Los amplificadores digitales de potencia del FBH ya alcanzan valores competitivos en eficiencia global y linealidad en comparación con conceptos de amplificadores analógicos establecidos como Doherty. Un amplificador de potencia recientemente desarrollado en el FBH ofrece una eficiencia global superior al 40% con una PAPR de 10 dB en el rango de aproximadamente 1 GHz.

Otra variante de digitalización de amplificadores de potencia es el Discrete Envelope Tracking (ET). En este método, se varía la tensión de alimentación del extremo del amplificador para garantizar una buena eficiencia energética, a pesar de la variación significativa de la potencia momentánea en los métodos de modulación de banda ancha modernos. En el Discrete Envelope Tracking, esta variación se realiza de forma discreta, es decir, solo entre varios valores de tensión constantes. Esta versión digitalizada del ET conduce a soluciones muy eficientes y de banda ancha. Recientemente, en el FBH se alcanzaron nuevos récords internacionales con una anchura de banda de modulación de 120 MHz en un amplificador de 75 W para 1,8 GHz. El concepto ET también puede aplicarse de forma relativamente sencilla a amplificadores de ondas milimétricas, lo cual es decisivo para las estaciones base 5G.