Központi összetevők a jövő technológiai megoldásaihoz – heterointegrált chipektől a digitális teljesítményerősítőkig

Digitális teljesítményerősítő modul a 5G-hez, a jövő mobil kommunikációjához (© FBH/schurian.com) / Digitális erősítő modul a 5G-hez, a jövő mobil kommunikációjához (© FBH/schurian.com)

Heterointegrált áramkörök, amelyek két technológiai világ előnyeit ötvözik: az indium-foszfid magas kimeneti teljesítményét és a szilíciumtechnológia összetettségét (© FBH/schurian.com) / Heterointegrált áramkörök, amelyek két technológiai világ előnyeit ötvözik: az indium-foszfid magas kimeneti teljesítményét és a szilíciumtechnológia összetettségét (© FBH/schurian.com)

Az Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) aktuális továbbfejlesztéseinek és új fejlesztéseinek kiválasztott példáit mutatja be a Münchenben megrendezett „Productronica” szakkiállításon 2017. november 14. és 17. között, a B2 csarnokban, 317-es standnál. A Leibniz-Institut a német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) támogatásával finanszírozott Mikroelektronikai Kutatógyár Németország közös standján mutatkozik be, ahol a Fraunhofer Mikroelektronika Szövetség és az IHP Leibniz-Institut partnereivel együtt vesz részt.

A FBH teljes értékláncot kínál saját házán belül: a tervezéstől a chipeken át a modulokig. A kiállításon többek között heterointegrált chipeket láthatunk terahertzes alkalmazásokhoz, amelyek két technológia előnyeit egyesítik a chipeken: az indium-foszfid magas kimeneti teljesítményét a szilíciumtechnológia összetettségével. További kiállított példák a digitalizáció és a jövő mobilhálózati szabvány, az 5G felé irányulnak, például digitális teljesítményerősítők, amelyek hatékony teljesítménymenedzsmentet biztosítanak a legmagasabb rugalmassággal, és szélessávon működnek.

Frekvenciasávok kihasználása és előnyök kombinálása heterointegrált chipekkel

A szub-terahertzes tartomány frekvenciái kerülnek a figyelem középpontjába, amikor a jövő megbízható kommunikációjáról van szó. Ehhez vezeték nélküli átviteli csatornákat kell kialakítani 100 és 500 GHz közötti frekvenciatartományban, amelyek képesek kezelni a jelentősen növekvő adatforgalmat rövid hatótávolságon. További alkalmazások ebben a frekvenciatartományban anyagvizsgálat, biztonságtechnika személy- és poggyászkontrollnál, valamint nagyfelbontású radar technológia finom robotikai alkalmazásokhoz. Az ilyen rendszeralkalmazásokhoz olyan elektronikus áramkörök szükségesek, amelyek magas kimeneti teljesítményt nyújtanak a szub-terahertzes tartományban. Mivel ezeket hagyományos félvezető technológiával nem lehet megvalósítani, az FBH az indium-foszfid (InP) félvezető anyagot használja integrált áramkörökhez. Az InP heterobipoláris tranzisztorok (InP-HBT-k) jelenleg több mint 500 GHz-es határfrekvenciát érnek el (fmax) 20 mA kollektoráram mellett. A szakadási feszültség meghaladja a 4 V-ot, ami magas kimeneti teljesítményt tesz lehetővé. Az áprilisban indított BMBF Mikroelektronikai Kutatógyár Németország kezdeményezés keretében az FBH egy gyártósor kialakítását tervezi, ahol modern berendezéseken InP-áramkörlapokat gyártanak ipari minőségben. A gyártósor lehetőséget ad arra is, hogy közösen az IHP Leibniz-Institut-tal InP-DHBT áramköröket integráljanak szilícium-germanium BiCMOS technológiába. Ezáltal az InP magas kimeneti teljesítményét a szilícium technológia összetettségével lehet kombinálni. Így valósíthatók meg a legmagasabb frekvenciamodulok egy chipen, ami döntő fontosságú hordozható és költséghatékony rendszeralkalmazások esetében. Ezt a folyamatot külső ügyfelek számára is kínálják foundry szolgáltatásként.

Komponensek a jövő mobilhálózati szabványához, az 5G-hez

Az 5G-hez való technikai infrastruktúra felkészítéséhez a hardverkomponenseket hatékonyabbá és rugalmasabbá kell tenni. Ezt többek között a digitális rész növelésével lehet elérni. A fókuszban a teljesítményerősítők állnak, mivel ezek határozzák meg a rendszer hatékonyságát és ezáltal a működési költségeket. Eddig külön modulokra volt szükség különböző kommunikációs szabványok és frekvenciatartományok esetén. Az FBH néhány éve új digitális erősítőarchitektúrákat fejleszt, amelyek hatékony teljesítménymenedzsmentet biztosítanak a legmagasabb rugalmassággal, és szélessávon működnek. Hosszú távú cél egy teljesen digitálisan megvalósított transzmitter, amely egy chipen képes kezelni az összes frekvenciasávot. Emellett az FBH olyan nagy teljesítményű modulációs és kódolási eljárásokat vizsgál, amelyek döntően befolyásolják a digitális erősítők jellemzőit. Ennek érdekében egy újszerű modult fejlesztettek ki, amely a szokásos digitális alkatrészekkel megvalósítható, és különböző modulációs eljárások szerint képes jeleket generálni.

A FBH digitális teljesítményerősítői már versenyképes értékeket érnek el az összteljesítményhatékonyság és a linearitás terén, összehasonlítva a hagyományos analóg erősítő fogalmakkal, mint például a Doherty. Egy nemrégiben az FBH által kifejlesztett erősítő több mint 40%-os összteljesítményhatékonyságot kínál 10 dB PAPR-rel körülbelül 1 GHz-es tartományban.

Az erősítők digitalizálásának egyik másik változata a Discrete Envelope Tracking (ET). Ennek során az erősítő végfokának tápfeszültségét variálják a jó energiahatékonyság érdekében – még a modern szélessávú modulációs eljárások esetén is, ahol a pillanatnyi teljesítmény erősen ingadozik. A Discrete Envelope Tracking esetén ez a változtatás diszkrét módon történik, azaz csak több állandó feszültségérték között váltogatnak. Ez a digitalizált ET-verzió rendkívül hatékony és szélessávú megoldásokat eredményez. Az FBH-nál nemrégiben 120 MHz modulációs sávszélességgel és 75 W-os teljesítményű, 1,8 GHz-es erősítővel értek el új nemzetközi rekordokat. Az ET-konceptus viszonylag könnyen átültethető milliméterhullámú erősítőkre is, ami kulcsfontosságú a 5G-bázisállomások számára.