Aerospace/Defense/5G
GaN-on-SiC-Leistungsverstärker für höchste Ansprüche
Es gibt Anwendungen, die extrem hohe Anforderungen an die genutzten Leistungsverstärker mit sich bringen. GaN on SiC hat die höchste Leistungsdichte, um eine hohe lineare Ausgangsleistung bei einem hohem Wirkungsgrad zu erzeugen – genau das richtige für hohe Ansprüche.
Hochfrequenzsysteme benötigen Leistungsverstärker (PAs, Power Amplifier), um am Ausgang eine hohe Ausgangsleistung effizient zur Verfügung zu stellen – und zwar mit linearer Kennlinie. Mit der Umstellung auf Modulationsverfahren höherer Ordnung wie 64/128/256-QAM (Quadratur-Amplituden-Modulation) müssen die Systeme auch in dichteren Umgebungen mit strengen PAPR-Werten (Peak-to-Average Power Ratio: Verhältnis zwischen Spitzen- zu Durchschnittsleistung) hohe Linearität und Effizienz bieten.
Eine neue Generation von GaN-on-SiC-MMIC-PAs, also PAs in Form von MMICs (Monolithic Microwave ICs, monolithisch integrierte Mikrowellen-ICs), die mithilfe einer GaN-on-SiC-Technologie gefertigt wurden, bietet sich hier als Lösung an. Die neue PA-Generation zeichnet sich durch die höchste Leistungsdichte aus, um eine hohe lineare Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. Dieser Beitrag geht auf die Anforderungen von Anwendungen in den Bereichen 5G, Satellitenkommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung ein. Dabei berücksichtigt der Artikel auch verschiedene Arten von Beamforming-Architekturen, und er zeigt, wie GaN-on-SiC-Leistungsverstärker die Herausforderungen der Kommunikation in diesen HF-Anwendungen meistern.
Chancen und Herausforderungen bei HF-Leistungsverstärkern
Die Satellitenkommunikation sowie aufkommende 5G-Kommunikationslösungen bieten die größten Wachstumschancen für HF-Leistungsverstärker, sie bringen aber auch die größten Herausforderungen für die HF-Leistungsverstärker mit sich. Die NASA hat es Privatunternehmen ermöglicht, Tausende von LEO-Satelliten (LEO: Low-Earth-Orbit) in den Weltraum zu schicken, die nun die Erde umkreisen und Breitband-Internetzugang, Navigation, Meeresüberwachung, Fernerkundung und andere Dienste bereitstellen. Diese HF-Anwendungen sind ständig an sogenannten SWaP-C-Vorteilen (SWaP-C ist ein Akronym für Size, Weight, Power und Cost) interessiert. Große Parabolantennen werden durch Phased-Array-Antennen für die Satellitenkommunikation ersetzt, die kleinere Komponenten für die Integration erforderlich machen, die zudem noch eine geringere Masse aufweisen sollen. Eine hohe HF-Leistung, die mit einer linearen Kennlinie und mit hohen Werten bei P1dB und IP3 einher geht, um Verzerrungen zu reduzieren, ist für diese HF-Anwendungen von elementarer Bedeutung. Gleichzeitig müssen die PAs einen hohen Wirkungsgrad haben und einen hohen PAE-Wert aufweisen, um die Leistungsaufnahme zu minimieren.
5G-Kommunikation im Millimeterwellen-Bereich
Die neuen Generationen für die 5G-Kommunikation im Millimeterwellen-Bereich erhöhen aufgrund ihrer Geschwindigkeit, der ultrahohen Bandbreite und der geringen Latenzzeit für die Breitband-Kommunikation die Menge an Informationen erheblich, die zur Unterstützung von Entscheidungen in Echtzeit und in anderen militärischen Anwendungen ausgetauscht werden können. 5G-Systeme, die in den niedrigeren Frequenzbändern unter 6 GHz betrieben werden, waren anfällig für Störsignale hoher Leistung, aber 5G-Millimeterwellen-Systeme, die bei Frequenzen von 24 GHz und darüber arbeiten, ermöglichen den Einsatz von 5G-Netzwerken sowohl für militärische als auch für Nicht-militärische-Anwendungen, da Systeme, die im Millimeter-Wellen-Frequenzbereich arbeiten nicht so anfällig für leistungsstarke Störsignale sind. Beispiele hierfür sind Sensornetzwerke für die Erfassung von Kommando- und Steuerdaten in der tatsächlichen Kampfzone sowie Augmented-Reality-Displays, die das Situationsbewusstsein von Piloten und Infanteriesoldaten verbessern. 5G wird auch Virtual-Reality-Lösungen für den ferngesteuerten Betrieb von Fahrzeugen bei Einsätzen in der Luft, zu Lande und zu Wasser ermöglichen. Geht es um Anwendungen außerdem des militärischen Bereichs so ermöglicht 5G eine Vielzahl von Anwendungen wie intelligente Lagerhaltung oder Telemedizin ermöglichen.
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Die einzelnen Länder arbeiten bei 5G in unterschiedlichen Bändern des Millimeterwellen-Bereichs (mmWave-Band). In den Vereinigten Staaten war 28 GHz das erste 5G-mmWave-Band, das zum Einsatz kam, gefolgt von 39 GHz. China setzt 5G mmWave bei Frequenzen im Bereich 24,25 bis 27,5 GHz ein und ist bei der Einführung von 5G mmWave im Rückstand.
Die Netzwerk-Architektur bei 5G
Das 5G-Netz besteht aus Makro-Basisstationen und kleinen Zellen. Die Makro-Basisstation ist über mmWave-Backhaul- oder Glasfaserverbindungen mit dem Kern-Netzwerk verbunden. Makro-Basisstationen können direkt mit den Mobiltelefonen bzw. Endgeräten kommunizieren, aber sie ermöglichen auch die Kommunikation mit den kleinen Zellen, die wiederum mit den Mobil- bzw. Endgeräten kommunizieren und so die Verbindung auf der letzten Meile sicherstellen. Es gibt Pico-Zellen und Femto-Zellen, die jeweils die Netzanbindung innerhalb von Bürogebäuden zur Verfügung stellen, in denen die Verbindung schwach sein kann oder wo eine hohe Nutzerdichte besteht.
Femtozellen werden typischerweise vom Anwender installiert, um die Coverage, also den Bereich der Netztabdeckung innerhalb eines kleinen Bereichs in der unmittelbaren Nähe, zu verbessern, z. B. in einem Heimbüro oder in einem »Dead Zone« genannten Bereich innerhalb eines Gebäudes, in dem es keine Coverage gibt. Femtozellen sind nur für eine Handvoll Nutzer ausgelegt und können nur wenige Anrufe gleichzeitig abwickeln; sie haben eine sehr geringe Ausgangsleistung von bis zu 0,2 W.
Pikozellen bieten größere Kapazitäten und Abdeckungsbereiche und unterstützen bis zu 100 Anwendungen in einem Umkreis von bis zu 300 m. Pikozellen kommen häufig in Innenräumen zum Einsatz, um die schlechte WLAN- und Mobilfunkabdeckung innerhalb eines Gebäudes zu verbessern. Ein gutes Beispiel hierfür ist eine Büroetage oder ein Einzelhandelsgeschäft. Pikozellen lassen sich in Erwartung eines hohen Verkehrsaufkommens in einem begrenzten Gebiet auch vorübergehend installieren, z. B. bei einer Sportveranstaltung. Aber Picozellen werden auch als fester Bestandteil von Mobilfunknetzen in einem heterogenen Netz installiert und arbeiten dabei mit Makrozellen zusammen, um eine unterbrechungsfreie Versorgung der Endanwender zu gewährleisten. Picozellen arbeiten mit einer Ausgangsleistung von bis zu 2 W.
Makro-Basisstationen sind große Basisstationen, die große Flächen in Dimensionen von über 1 km abdecken und am Ausgang Leistungen von teils über 100 W zur Verfügung stellen.
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- Anwendungsbeispiel Radar-Kommunikation
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