Breitbandige Funksignale Millimeter schlagen Wellen

Der neue Chip ist nur 4 x 1,5 mm groß und basiert auf Halbleiterbausteinen, die das Fraunhofer IAF entwickelt hat.
Der neue Chip ist nur 4 x 1,5 mm groß und basiert auf Halbleiterbausteinen, die das Fraunhofer IAF entwickelt hat.

»iPHOS« und »Millilink« sind zwei unterschiedliche Forschungsprojekte, die eine Sache gemeinsam haben: Sie bringen einen breitbandigen Netzwerkanschluss über Funk dahin, wo Glasfaserkabel unerwünscht oder unmöglich sind.

Drei Jahre lang haben Wissenschaftler im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts Millilink an einer Möglichkeit geforscht, drahtlose Links in breitbandige optische Kommunikationsnetze einzubinden. Innerhalb dieser Zeit schaffte es die Gruppe, zu denen Forscher des Fraunhofer IAF und KIT sowie die Industriepartner Siemens, Kathrein und Radiometer Physics gehören, von theoretischen Überlegungen bis zum funktionsfähigen Gerät.

Über den Dächern Karlsruhes erreichten sie eine Datenübertragungsrate von 24 GBit/s über eine Strecke von 1,1 km zwischen zwei Hochhäusern. Dafür nutzten sie einen Träger mit der Frequenz 240 GHz und eine Signalbandbreite von bis zu 20 GHz. Ein eigens von der Arbeitsgruppe des Projektleiters Professor Ingmar Kallfass, der mittlerweile an der Universität Stuttgart tätig ist, entwickelter Chip setzt die elektrischen Signale direkt auf Funksignale um. Sie werden im Empfänger über einen ähnlichen Chip wieder in elektrische Signale umgewandelt. Um die Einbindung in optische Netze zu ermöglichen, muss das optische Signal erst in ein elektrisches Signal gewandelt werden und nach der Funkstrecke zurück in ein optisches. Dazu reichen handelsübliche Laser- und Photodioden aus. Das haben die Forscher in einem Laborversuch gezeigt, in dem sie ein Signal nach 20 km Glasfaser über mehrere Meter Funk wieder in ein 20 km langes Glasfaserkabel eingespeist haben. Über eine Strecke von 7 m haben die Wissenschaftler Daten mit einer Geschwindigkeit von 40 GBit/s übertragen.

 

Die genutzte Frequenz von 240 GHz liegt in einem sogenannten Atmosphärischen Fenster, in dem weder Wasser- noch Sauerstoffmoleküle die Strahlung absorbieren. Bei schönem Wetter liegt die Dämpfung bei etwa 3 bis 4 dB/km. Dann reicht eine geringe Übertragungsleistung von -2 dBm – etwa 0,5 mW – aus, um Daten fehlerfrei zu übertragen. Bei Regen jedoch steigt die Dämpfung stark an auf Werte zwischen 15 und 23 dB/km. Um auch bei schlechten Witterungsverhältnissen die Übertragung zu gewährleisten, kann die Datenrate verringert oder der Antennengewinn erhöht werden. Mittlerweile stehen auch Verstärkerstufen zur Verfügung, die die Sendeleistung auf bis zu 4 mW erhöhen können.

Der Chip nutzt Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit (HEMT), die das Fraunhofer IAF entwickelt hat. Erst sie ermöglichen die Funktion bei den hohen Frequenzen zwischen 200 und 280 GHz. In diesem Bereich beträgt die Wellenlänge nur etwas mehr als 1 mm.

Das Projekt läuft zwar Ende Mai aus, doch die Arbeit an der Technik ist noch lange nicht beendet. »Wir haben noch viele kleine Stellschrauben, an denen wir in weiterführenden Projekten drehen können«, sagt Ingmar Kallfass. Dazu gehört die weitere Erhöhung der Bandbreite und der Datenrate. Erreichen lässt sich das z.B. durch die Verwendung von komplexeren Modulationsformaten, wie QAM, statt des bisher verwendeten einfachen On-Off-Keying. Auch an der Integration der Antenne auf dem Chip wird weiter geforscht werden. Aus einem hochgradig gerichteten starken Funksignal wird dann ein schwächeres, ungerichtetes Signal, das zum Beispiel der Kommunikation zwischen einzelnen Komponenten innerhalb eines Rechners oder einer Maschine dient.

Doch auch wenn die Technik im Rahmen ausgedehnter Versuche funktioniert, bleibt unter anderem ein Problem: Frequenzen bis 275 GHz unterliegen den Bestimmungen der Regulierungsbehörden, den hier genutzten Frequenzbereich haben Radioastronomen reserviert. Für eine kommerzielle Nutzung müsste der Frequenzbereich erst freigegeben werden. Ein langwieriger, aber nicht unmöglicher Prozess.

Als Alternative eignet sich das Ausweichen auf nicht mehr regulierte, höhere Frequenzen, die zwar mit einer stärkeren atmosphärischen Dämpfung zu kämpfen haben, dafür aber mit größeren Bandbreiten auch direkt höhere Übertragungsgeschwindigkeiten mitbringen. Oder die Übertragung findet in einem Frequenzband statt, das die Regulierungsbehörden bereits für die Datenübertragung freigegeben haben.