Höhere Datenübertragungsraten Leistungsverstärker aus Galliumnitrid für 5G

Der acht Quadratmillimeter große Leistungsverstärker funkt auf einer Frequenz von 5,8 Gigahertz.
Der 8 mm² große Leistungsverstärker funkt auf einer Frequenz von 5,8 Ghz.

Das Datenvolumen pro Nutzer wächst stetig. Besonders wegen Autos und Maschinen, die über Funk kommunizieren müssen. Der neue Mobilfunkstandard 5G soll für eine bessere Übertragung der Daten sorgen. Dafür baut das Fraunhofer IAF neue Hochfrequenz-Leistungsverstärker aus dem Halbleiter Galliumnitrid.

Weltweit gibt es laut dem Cisco Visual Networking Index mindestens acht Milliarden über Mobilfunk vernetzte mobile Geräte. Chatten mit Freunden und der Familie, unterwegs Videos anschauen, online spielen oder einfach im Internet surfen – das alles funktioniert reibungslos und preiswert. Noch. Denn bei der wachsenden Zahl von Nutzern und dem damit steigendem Datenvolumen ist es fraglich, ob das auch künftig so bleiben wird. »Bisher sind es vor allem Menschen, die drahtlos über das Internet miteinander kommunizieren, doch künftig kommen Autos, Geräte oder Produktionsmaschinen dazu«, erläutert Rüdiger Quay vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Industrie 4.0 oder autonomes Fahren benötigen Funkkommunikation in Echtzeit. Dafür werden Datenübertragungsraten von 10 Gbit/s benötigt. Der heutige 4G-LTE-Mobilfunkstandard ist jedoch maximal für 300 Mbit/s ausgelegt und nicht echtzeitfähig. Im Schnitt wird mobil sogar nur mit einer durchschnittlichen Spitzenrate von 50 Mbit/s im Internet gesurft. Aus diesem Grund arbeiten Mobilfunkanbieter, Netzwerkausrüster und Forschern am leistungsfähigeren Standard 5G. Er soll es unter anderem ermöglichen, Live-Videos in hoher Qualität mobil zu übertragen.

Ein wichtiger Baustein im Mobilfunknetz sind die Basisstationen. Sie sind das Nadelöhr, durch das alle Daten geschleust werden. Das IAF will das Nadelöhr nun erweitern: Die Forscher entwickeln Leistungsverstärker, die in der Lage sind, mehr Daten schneller und energieeffizienter durch das Mobilfunknetz zu schicken. »Neue Leistungsverstärker stellen die notwendigen Funkfrequenzen bereit, über die Daten übertragen werden«, erklärt Quay. Für 5G werden im ersten Schritt zusätzliche Funkfrequenzen bis 6 Ghz freigemacht. Bei LTE ist bisher schon bei 2,7 Ghz Schluss. Laut Quay bedeuten höhere Frequenzen eine schnelle Datenübertragung, aber auch weniger verfügbare Leistung für die Sender. Das IAF fertigt die 8 mm² großen Mikrochips daher aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN). »Durch seine spezielle Kristallstruktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt und somit mehr Leistung erzielt werden«, erläutert Quay. Im EU-Projekt Flex5Gware testet das Institut bereits erfolgreich Prototypen bis zu Frequenzen von 6 Ghz. 

Die Übertragung von Daten per Funk kostet Energie für jedes übertragene Bit. Laut Quay macht das alleine bis zu etwa 15 Prozent unserer Mobilfunkrechnung aus. Wird ein Bit Information per Funk übertragen, benötigt es einen bestimmten und konstanten Energiebetrag. Mit 5G sollen im Vergleich zu heute 200 Mal mehr Bits mit vergleichbarer Energie übertragen werden. »Für 5G muss die Energieeffizienz der Mobilfunkkommunikation daher alleine aus Gründen der Nachhaltigkeit deutlich steigen«, sagt Quay. Aktuell können Basisstationen nur mit sehr hohem Energieaufwand hohe Datenraten übertragen. Der Grund: Sie pusten Funkwellen ungerichtet in die Luft. Mit steuerbaren Antennen und GaN-basierten Leistungsverstärkern erreichen Informationen dagegen punktgenau den Empfänger und das spart Energie. Bestückt mit der Technik der IAF-Forscher richten sich die Antennen der Basisstationen elektronisch zum Empfänger hin aus. »Sie funktionieren wie das menschliche Ohr: Wir wissen aus welcher Richtung Geräusche kommen, ohne unseren Kopf zu drehen«, erläutert Quay. 

GaN ist wichtiger Bestandteil von blauen und weißen LEDs. Die Rohstoffe für GaN stehen in großen Mengen zur Verfügung: Stickstoff kann aus der Luft gewonnen werden und Gallium ist Abfallprodukt bei der Metallverarbeitung. Der Erfolg der LEDs hat dazu beigetragen, dass die Herstellung von GaN immer günstiger wird. Mittlerweile übersteigen die Stromeinsparungen im Betrieb die Produktionskosten des im Vergleich zum Silizium noch teureren GaN.