Centrale componenten voor technologische oplossingen van de toekomst – van heterogeen geïntegreerde chips tot digitale vermogensversterkers

Digitaal vermogenversterker-module voor 5G, de mobiele communicatie van de toekomst (© FBH/schurian.com) / Digitale Vermogenversterker Module voor 5G, de mobiele communicatie van de toekomst (© FBH/schurian.com)

Heterointegrale schakelingen, die de voordelen van twee technologische werelden combineren: de hoge uitgangsvermogens van indiumfosfide en de complexiteit van siliciumtechnologie (© FBH/schurian.com) / Heterointegrated circuits, die de voordelen van twee technologische werelden samenbrengen: de hoge uitgangsvermogens van indiumfosfide met de complexiteit van siliciumtechnologie (© FBH/schurian.com)

Een selectie van actuele doorontwikkelingen en nieuwe ontwikkelingen van zijn vermogensversterkers, schakelingen en heterogene geïntegreerde chips presenteert het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) op de vakbeurs „Productronica“ in München van 14 tot 17 november 2017 in hal B2, stand 317. Het Leibniz-Institut presenteert zich op de gezamenlijke stand van het door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderde Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland. Het toont daar samen met de partners uit het Fraunhofer Verbund Mikroelektronik en het Leibniz-Institut IHP.

Het FBH biedt de volledige waardeketen in eigen huis: van ontwerp via chips tot modules. Op de beursstand zijn onder andere heterogene geïntegreerde chips voor terahertz-toepassingen te zien, die de voordelen van twee technologische werelden op chipniveau combineren: de hoge uitgangsvermogens van indiumfosfide met de complexiteit van de siliciumtechnologie. Verdere exposities richten zich op digitalisering en de toekomstige mobiele standaard 5G, zoals digitale vermogensversterkers die een efficiënt vermogensbeheer combineren met de hoogste flexibiliteit en breedbandig werken.

Frequenbegrenzen uitbuiten en voordelen combineren met heterogene geïntegreerde chips

Frequenzen in het sub-terahertzgebied krijgen de aandacht wanneer het gaat om de krachtige communicatie van de toekomst. Hiervoor zijn draadloze overdrachtsbanen nodig in het frequentiebereik tussen 100 en 500 GHz, die de significante toenemende datastromen voor korte afstanden aankunnen. Andere toepassingen in dit frequentiebereik liggen in materiaalkunde, veiligheidstechniek bij personen- en bagagecontroles, en de hoogfrequente radar voor fijne robotica-toepassingen. Dergelijke systeemtoepassingen vereisen elektronische schakelingen die een hoog uitgangsvermogen leveren in het sub-terahertzgebied. Aangezien deze echter niet met conventionele halfgeleidertechnologie kunnen worden gerealiseerd, gebruikt het FBH het halfgeleermateriaal indiumfosfide (InP) voor geïntegreerde schakelingen. De InP-heterobipolaire transistors (InP-HBT's) bereiken momenteel grensfrequenties van meer dan 500 GHz (fmax) bij een collectorstroom van 20 mA. De doorbraakspanning ligt boven de 4 V en maakt een hoog uitgangsvermogen mogelijk. In het kader van de in april gestartte BMBF-initiatie Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland bouwt het FBH een procestlijn op om daar op de modernste installaties InP-schakelingwafers in industriële kwaliteit te produceren. De procestlijn biedt ook de optie om samen met het Leibniz-Institut IHP InP-DHBT-schakkelingen op silicium-germanium BiCMOS-technologie te integreren. Daarmee kunnen de hoge uitgangsvermogens van InP worden gecombineerd met de complexiteit van de siliciumtechnologie. Op deze manier kunnen hoogfrequente modules op één chip worden gerealiseerd, wat cruciaal is voor draagbare en kosteneffectieve systeemtoepassingen. Dit proces wordt ook extern aangeboden als foundry-service.

Componenten voor de toekomstige mobiele standaard 5G

Om de technische infrastructuur van de basisstations geschikt te maken voor 5G, moeten de hardware-componenten efficiënter en flexibeler worden. Dit kan onder andere door een verhoging van het digitale aandeel. De focus ligt daarbij op de vermogensversterkers, omdat deze de efficiëntie van het gehele systeem en daarmee ook de bedrijfskosten domineren. Tot nu toe zijn voor verschillende communicatie-standaarden en frequenties aparte modules nodig. Het FBH ontwikkelt al enkele jaren nieuwe digitale versterkerarchitecturen die een efficiënt vermogensbeheer combineren met de hoogste flexibiliteit en breedbandig werken. Het lange-termijndoel is de volledig digitaal gerealiseerde zender, waarbij één chip alle frequentiebanden kan bedienen. Daarnaast onderzoekt het FBH krachtige modulatie- en coderingsmethoden die de eigenschappen van digitale versterkers aanzienlijk beïnvloeden. Het FBH heeft hiervoor een nieuwe modulator ontwikkeld die met gangbare digitale bouwstenen kan worden gerealiseerd en signalen kan genereren volgens diverse modulatieprocedures.

De digitale vermogensversterkers van het FBH behalen inmiddels concurrerende waarden qua algehele efficiëntie en lineariteit in vergelijking met gevestigde analoge versterkerconcepten zoals Doherty. Een recent door het FBH ontwikkelde vermogensversterker biedt een hoge algehele efficiëntie van meer dan 40% bij 10 dB PAPR in het gebied rond 1 GHz.

Een andere variant van digitalisering van vermogensversterkers is de Discrete Envelope Tracking (ET). Hierbij wordt de voedingsspanning van de eindversterker gevarieerd om een goede energie-efficiëntie te waarborgen – ondanks de sterk schommelende actuele kracht bij moderne breedbandige modulatieprocedures. Bij Discrete Envelope Tracking wordt deze variatie discreet gerealiseerd, dat wil zeggen dat er slechts tussen meerdere constante spanningswaarden wordt geschakeld. Deze gedigitaliseerde versie van ET leidt tot zeer efficiënte en breedbandige oplossingen. Recentelijk zijn bij het FBH nieuwe internationale records bereikt met een modulatiebandbreedte van 120 MHz bij een 75 W versterker voor 1,8 GHz. Het ET-concept kan ook relatief eenvoudig worden overgebracht naar millimetergolf-versterkers, wat cruciaal is voor de 5G-basisstations.