Teure Phased-Array-Technik überflüssig

Holographic Beamforming macht 5G erst sinnvoll

21. März 2019, 11:06 Uhr | Heinz Arnold
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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Was steckt hinter Holographic Beamforming?

Die gesamte Antenne – Brian Deutsch hielt während seiner Präsentation in München einen 39-GHz-Beamformer in seiner Hand – macht einen schlichten Eindruck: Es handelt sich einfach um eine Leiterplatte, auf den ersten Blick bestückt mit Dioden und weiteren passiven Bauelementen, dazwischen Leiterbahnen. Der erste Blick täuscht nicht: »Eine passive Antenne ohne aktive interne Verstärkung mit symmetrischen Übertragungs- und Empfangseigenschaften, basierend auf einer relativ einfachen Multilayer-Leiterplatte«, bestätigt Deutsch. Hunderte kleine Antennenzellen sind darauf schachbrettartig angeordnet.

Es gibt jedoch ein Geheimnis: Die Technik basiert auf sogenannten Metamaterialien, bekannt geworden, weil diese Materialien es erlauben, elektromagnetische Wellen um einen Gegenstand herumzuführen, ihn also unsichtbar zu machen. Der Tarnmantel aus Märchen schien plötzlich Realität zu werden. Dieser Technik stellen sich allerdings so manche Schwierigkeiten entgegen.

Doch es gibt eine viel interessantere Anwendung: Intensiv kümmern sich die Experten darum, die Metamaterialien für das Beamforming in Antennen nutzbar zu machen: Neben Pivotal versuchen derzeit weitere Startups wie Kymeta, Echodyne und Evolv, diese Technik auf unterschiedlichen Ebenen dafür einzusetzen. Auf der Leiterplatte von Pivotal spielen außerdem die Dioden, die jeder Antennenzelle zugeordnet sind, eine besondere Rolle, vor allem müssen sie sehr schnell sein. Hier kommt Macom ins Spiel, die HF-Bauelemente für 5G, einen ihrer Fokusmärkte, entwickelt, unter anderem HF-Dioden, die in GaAs- und AlGaAs-Prozessen gefertigt werden.

»Baugrößen und die damit verbundenen thermischen Limitationen haben bisher verhindert, dass fortschrittliche Beamforming-Techniken in 5G Einzug halten können«, sagt Dr. Douglas J. Carlson, Senior Vice President und General Manager RF von Macom. Pivotal zeige einen Ausweg aus der misslichen Situation. Deshalb habe Macom eng mit dem Unternehmen zusammengearbeitet, um seine Dioden genau auf die Anforderungen der HBF-Technik anzupassen. Jetzt sei es laut Deutsch möglich, die Strahlungskeulen im Bereich von 120 ns zu steuern.

Die Dioden schalten die Antenneneinheiten auf der Leiterplatte so, dass bestimmte Frequenzen unterdrückt oder bevorzugt werden. Dieses Muster wird über die dahinter laufende Software ständig angepasst. Sie bestimmt über die Oberflächenimpedanz das jeweilige Hologramm, das Hologramm wiederum definiert die Abstrahlcharakteristik, die resultierenden Strahlungskeulen sind auf die Empfänger ausgerichtet und können ihnen sogar folgen, wenn sie sich bewegen. »Das funktioniert sehr schnell, es stecken keine DSPs wie bei Phased Array oder MIMOs dahinter, es handelt sich tatsächlich um einen rein analogen Ansatz«, so Deutsch. »Das macht die Sache wirtschaftlich. Denn die Dioden kosten nur Pennies, die Leiterplatte ist ebenfalls nicht teuer, die anfallende Rechenarbeit, die dafür erforderlich ist, das Impedanzprofil zu erstellen, übernimmt ein ASIC.« Hätte bisher Software Defined Radio (SDR) im Vordergrund gestanden, würden nun die Antennen intelligent: »Auf die Antennen kommt es in Zukunft wirklich an«, erklärt Deutsch. »SDR ist dagegen einfach!«

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