Kluczowe komponenty dla rozwiązań technologicznych przyszłości – od heterogenicznych układów scalonych po cyfrowe wzmacniacze mocy

Moduł cyfrowego wzmacniacza mocy dla 5G, mobilnej komunikacji przyszłości (© FBH/schurian.com) / Digitalny moduł wzmacniacza mocy dla 5G, mobilnej komunikacji przyszłości (© FBH/schurian.com)

Heterointegrowane układy scalone, łączące zalety dwóch światów technologii: wysoką moc wyjściową fosforku indu i złożoność technologii krzemu (© FBH/schurian.com) / Układy heterointegrowane, łączące zalety dwóch światów technologii: wysokie moce wyjściowe fosforku indu z złożonością technologii krzemu (© FBH/schurian.com)

Wybór najnowszych rozwiązań w zakresie wzmacniaczy mocy, układów i heterointegrowanych chipów przedstawia Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), na targach branżowych „Productronica” w Monachium w dniach od 14 do 17 listopada 2017 roku w hali B2, stoisko 317. Instytut Leibniza prezentuje się na wspólnym stoisku badawczej fabryki mikroelektroniki Deutschland, finansowanej przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF). Wspólnie z partnerami z konsorcjum Fraunhofer Mikroelektronik oraz Leibniz-Institut IHP.

FBH oferuje pełny łańcuch wartości w własnym zakresie: od projektowania, przez chipy, aż po moduły. Na stoisku można zobaczyć między innymi heterointegrowane chipy do zastosowań w terahercach, które łączą zalety dwóch światów technologii na poziomie chipu: wysokie moce wyjściowe indiumfoscydu z złożonością technologii krzemowej. Kolejne eksponaty skupiają się na cyfryzacji i przyszłym standardzie mobilnym 5G, takich jak cyfrowe wzmacniacze mocy, które łączą efektywne zarządzanie mocą z najwyższą elastycznością i pracują szerokopasmowo.

Eksploatacja granic częstotliwości i łączenie zalet z heterointegrowanymi chipami

Częstotliwości w zakresie sub-terahercowym stają się głównym tematem, gdy mowa o wydajnej komunikacji przyszłości. Do tego potrzebne są bezprzewodowe odcinki transmisji w zakresie od 100 do 500 GHz, które mogą obsługiwać rosnące ilości danych na krótkich dystansach. Dalsze zastosowania w tym zakresie częstotliwości obejmują badania materiałowe, techniki bezpieczeństwa przy kontrolach osób i bagażu, a także wysokorozdzielczą technikę radarową dla precyzyjnych zastosowań robotycznych. Takie systemy wymagają układów elektronicznych zapewniających wysoką moc wyjściową w zakresie sub-terahercowym. Ponieważ nie można ich zrealizować za pomocą konwencjonalnej technologii półprzewodnikowej, FBH wykorzystuje materiał półprzewodnikowy indiumfoscyd (InP) do układów scalonych. InP-Heterobipolar Transistory (InP-HBTs) osiągają obecnie graniczne częstotliwości powyżej 500 GHz (fmax) przy kolektorowym prądzie 20 mA. Napięcie przebicia przekracza 4 V, co umożliwia wysoką moc wyjściową. W ramach inicjatywy BMBF „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland”, uruchomionej w kwietniu, FBH tworzy linię procesową do produkcji wafli układów InP w warunkach przemysłowych. Linia ta obejmuje także opcję integracji układów InP-DHBT na technologii krzemowo-germanowej BiCMOS we współpracy z Leibniz-Institut IHP. Pozwala to na połączenie wysokiej mocy wyjściowej InP z złożonością technologii krzemowej. W ten sposób można zrealizować moduły wysokich częstotliwości na jednym chipie, co jest kluczowe dla przenośnych i tanich systemów aplikacyjnych. Ten proces jest również oferowany klientom zewnętrznym jako usługa foundry.

Komponenty dla przyszłego standardu mobilnego 5G

Aby przygotować infrastrukturę techniczną stacji bazowych do obsługi 5G, konieczne jest zwiększenie efektywności i elastyczności komponentów sprzętowych. Można to osiągnąć między innymi poprzez zwiększenie udziału cyfrowego. Kluczową rolę odgrywają wzmacniacze mocy, ponieważ to one decydują o efektywności całego systemu i kosztach operacyjnych. Dotychczas dla różnych standardów komunikacyjnych i częstotliwości potrzebne były osobne moduły. FBH od kilku lat rozwija nowe architektury cyfrowych wzmacniaczy, które łączą efektywne zarządzanie mocą z najwyższą elastycznością i pracują szerokopasmowo. Długoterminowym celem jest całkowicie cyfrowy nadajnik, w którym jeden chip obsługuje wszystkie pasma częstotliwości. Dodatkowo FBH bada wydajne metody modulacji i kodowania, które mają kluczowe znaczenie dla właściwości cyfrowych wzmacniaczy. W tym celu opracowano nowatorski modulator, który można zrealizować za pomocą powszechnie dostępnych elementów cyfrowych i który może generować sygnały według różnych metod modulacji.

Cyfrowe wzmacniacze mocy z FBH osiągają już konkurencyjne wartości pod względem efektywności ogólnej i liniowości, porównując je z ugruntowanymi koncepcjami analogowych wzmacniaczy, takimi jak Doherty. Niedawno opracowany wzmacniacz mocy oferuje wysoką efektywność przekraczającą 40% przy PAPR 10 dB w zakresie około 1 GHz.

Kolejną metodą cyfryzacji wzmacniaczy mocy jest Discrete Envelope Tracking (ET). Polega ona na zmienianiu napięcia zasilania końcówki wzmacniacza, aby zapewnić dobrą efektywność energetyczną – mimo silnych wahań chwilowej mocy przy nowoczesnych szerokopasmowych metodach modulacji. W wersji dyskretnej ET ta zmiana realizowana jest w sposób skokowy, czyli przełącza się między kilkoma stałymi wartościami napięcia. Ta zdigitalizowana wersja ET prowadzi do bardzo wydajnych i szerokopasmowych rozwiązań. W FBH niedawno osiągnięto nowe międzynarodowe rekordy, uzyskując 120 MHz szerokości pasma modulacji przy wzmacniaczu o mocy 75 W dla 1,8 GHz. Koncepcja ET może być również stosunkowo łatwo przeniesiona na wzmacniacze milimetrowe, co jest kluczowe dla stacji bazowych 5G.