Digitale Leistungsverstärker für energieeffiziente, drahtlose Sub-THz Kommunikation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Rudolph; Dr.-Ing. Andreas Wentzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404909432

Im Zuge der Entwicklungen in der breitbandigen Mobilkommunikation (z. B. 5G mit Internet der Dinge (IoT)) müssen unweigerlich sehr viel höhere Datenmengen und -raten garantiert werden. Hier geraten immer mehr auch die Sub-THz Frequenzbereiche (ab 100 GHz) in den Fokus, da dort bis zu 10 Mal mehr Bandbreite im Vergleich zum herkömmlichen Mobilfunkbereich zur Verfügung steht. Das ist die Triebfeder für energieeffiziente Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-LV) in diesem Frequenzbereich. Da diese den Hauptteil des gesamten Energieverbrauchs einer Basisstation ausmachen, sind sie ein wichtiger Faktor für ein Green-IT. Im beantragten Vorhaben sollen erstmalig hybrid aufgebaute Verstärkermodule für das W- und G-Band realisiert werden, die dem digitalen Ansatz folgen. Darüber hinaus liegt bei beiden LV-Modulen der besondere Fokus auf einem möglichst geringen Abfall der Effizienz über der (reduzierten) Signaleingangsleistung. Das wird bei Anwendungen mit hohen Signalbandbreiten nötig, da die Verstärker den Hauptteil der Zeit weit unter dem Bereich maximaler Eingangsleistung arbeiten müssen. Mit diesem Projekt werden bereits jetzt für die weiterführenden Entwicklungen des 5G-Standards schaltungstechnische Grundlagen und Erkenntnisse mit neuartigen Verstärkerarchitekturen generiert, die potenziell vergleichsweise hohe Effizienzen bei sehr breitbandigen Eingangssignalen liefern können und dazu noch kompakt und flexibel sind. Insbesondere erlaubt der Einsatz von Treibern, die auf Frequenzvervielfachung beruhen, ein sinusförmiges Eingangssignal, welches mit herkömmlichen Generatoren kompatibel ist. Mit dem Ansatz des digitalen Leistungsverstärkers sind die Vorhaben in der Technologie (hier: InP DHBT Transfer-Substrat) und Modellierung eng verknüpft: Neben der Realisierung von digitalen Verstärker-MMICs (inkl. Treiber und Filter) für das W-Band (100 GHz) mit einer Gesamteffizienz von über 50 % und einer maximalen Ausgangsleistung von mindestens 100 mW soll das vorgeschlagene Konzept im G-Band bei 200 GHz gezeigt werden. Wichtige Erkenntnisgewinne bzgl. der Evaluierung des digitalen Schaltungskonzepts im Sub-THz-Bereich werden erwartet. Außerdem soll die Frage beantwortet werden, ob die vorhandene InP-Technologie für das vorgeschlagene Schaltungskonzept geeignet ist. In der Transistormodellierung werden aperiodisch geschaltete Leistungstransistoren zur linearen Verstärkung breitbandiger digital modulierter Signale bei höchsten Frequenzen modelliert. Dazu wird die Peripherie (Zuleitung, Kontakte) des HBT bis zu höchsten Frequenzen beschrieben und optimiert. Der Einfluss und die Optimierung der Anschlüsse auf das Schaltverhalten werden geklärt. Gleichzeitig wird die Frage nach der sinnvollen Definition von Referenzebenen beleuchtet. Ein weiteres Ziel in der Modellierung ist das numerisch robuste, effiziente und genaue Modell für den Schaltbetrieb. Dafür werden die Art der Charakterisierung und etwaige Reduktionen im Messaufwand zur Modellierung untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen