Componenti centrali per le soluzioni tecnologiche del futuro – dai chip eterointegrati agli amplificatori digitali di potenza

Modulo amplificatore di potenza digitale per 5G, la comunicazione mobile del futuro (© FBH/schurian.com)

Circuiti eterointegrati, che combinano i vantaggi di due mondi tecnologici: alte potenze di uscita del fosfuro di indio e la complessità della tecnologia al silicio (© FBH/schurian.com) / Circuiti eterointegrati, che uniscono i vantaggi di due mondi tecnologici: le alte potenze di uscita del fosfuro di indio con la complessità della tecnologia al silicio (© FBH/schurian.com)

Una selezione delle più recenti innovazioni e sviluppi di amplificatori di potenza, circuiti e chip eterointegrati del Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), sarà presentata alla fiera "Productronica" a Monaco dal 14 al 17 novembre 2017, presso la Hall B2, Stand 317. L'Istituto Leibniz si presenterà allo stand collettivo della fabbrica di ricerca finanziata dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF), la Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland. Qui presenterà, insieme ai partner del Fraunhofer Verband Mikroelektronik e dell'Istituto Leibniz IHP.

Il FBH offre l'intera catena del valore nel proprio stabilimento: dal design ai chip fino ai moduli. Allo stand sono visibili, tra l'altro, chip eterointegrati per applicazioni terahertz, che combinano i vantaggi di due mondi tecnologici a livello di chip: le alte prestazioni di uscita di indio fosfuro con la complessità della tecnologia siliconica. Altre esposizioni sono rivolte alla digitalizzazione e allo standard di telecomunicazioni 5G del futuro, come ad esempio amplificatori di potenza digitali, che combinano una gestione efficiente dell'energia con la massima flessibilità e operano a banda larga.

Sfruttare i limiti di frequenza e combinare i vantaggi con chip eterointegrati

Le frequenze nel range sub-terahertz vengono messe sotto i riflettori quando si tratta di comunicazioni ad alte prestazioni per il futuro. Per questo sono necessari collegamenti di trasmissione wireless tra 100 e 500 GHz, in grado di gestire l'aumento significativo del traffico dati a breve raggio. Altre applicazioni in questa gamma di frequenza includono il controllo dei materiali, la sicurezza nelle verifiche di persone e bagagli, e la tecnologia radar ad alta risoluzione per applicazioni robotiche delicate. Tali sistemi richiedono circuiti elettronici in grado di fornire alte potenze di uscita nel range sub-terahertz. Tuttavia, poiché queste prestazioni non possono essere realizzate con le tecnologie semiconduttori convenzionali, il FBH utilizza il materiale semiconduttore indio fosfuro (InP) per circuiti integrati. I transistor bipolari eterointegrati InP (InP-HBT) raggiungono attualmente frequenze di oltre 500 GHz (fmax) con una corrente di collettore di 20 mA. La tensione di breakdown supera i 4 V, consentendo alte potenze di uscita. Nell'ambito dell'iniziativa BMBF avviata ad aprile, la Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland, il FBH sta sviluppando una linea di processo per produrre wafer di circuiti InP con standard industriali. La linea di processo include anche la possibilità di integrare circuiti InP-DHBT su tecnologia silicono-germanio BiCMOS, in collaborazione con l'Istituto Leibniz IHP. Ciò permette di combinare le alte potenze di uscita dell'InP con la complessità della tecnologia siliconica. In questo modo, è possibile realizzare moduli ad alta frequenza su un singolo chip, fondamentale per applicazioni portatili e a basso costo. Questo processo viene offerto anche come servizio di fonderia a clienti esterni.

Componenti per lo standard di telecomunicazioni del futuro 5G

Per rendere l'infrastruttura tecnica delle stazioni base compatibile con il 5G, i componenti hardware devono diventare più efficienti e flessibili. Ciò può essere raggiunto, tra l'altro, aumentando la componente digitale. L'attenzione è rivolta agli amplificatori di potenza, poiché questi dominano l'efficienza complessiva del sistema e, di conseguenza, i costi operativi. Finora, sono necessari moduli separati per diversi standard di comunicazione e frequenze. Il FBH sta sviluppando da alcuni anni nuove architetture di amplificatori digitali che combinano una gestione efficiente dell'energia con la massima flessibilità e operano a banda larga. L'obiettivo a lungo termine è un trasmettitore completamente digitale, in cui un singolo chip possa coprire tutte le bande di frequenza. Inoltre, il FBH studia metodi di modulazione e codifica ad alte prestazioni, che influenzano significativamente le caratteristiche degli amplificatori digitali. A tal fine, il FBH ha sviluppato un modulatore innovativo, che può essere realizzato con i componenti digitali comuni e generare segnali secondo vari metodi di modulazione.

I amplificatori di potenza digitali del FBH raggiungono ormai valori competitivi in termini di efficienza complessiva e linearità rispetto ai concetti di amplificatori analogici consolidati come il Doherty. Un amplificatore di potenza recentemente sviluppato dal FBH offre un'efficienza complessiva superiore al 40% con un PAPR di 10 dB nel range di circa 1 GHz.

Un'altra variante di digitalizzazione degli amplificatori di potenza è il Discrete Envelope Tracking (ET). In questo metodo, la tensione di alimentazione dell'ultimo stadio dell'amplificatore viene variata per garantire un'efficienza energetica ottimale, nonostante le fluttuazioni della potenza istantanea nei moderni sistemi di modulazione a banda larga. Nel Discrete Envelope Tracking, questa variazione viene realizzata in modo discreto, cioè tra più valori di tensione costanti. Questa versione digitalizzata dell'ET porta a soluzioni molto efficienti e a banda larga. Recentemente, presso il FBH, sono stati raggiunti nuovi record internazionali con una larghezza di banda di modulazione di 120 MHz e un amplificatore da 75 W per 1,8 GHz. Il concetto ET può essere facilmente adattato anche agli amplificatori a onde millimetriche, elemento cruciale per le stazioni base 5G.