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Mittwoch, 20. Februar 2019

Chiptechnologie

Funken auf vielen Kanälen gleichzeitig

Von Jens D. Billerbeck | 28. Juni 2018 | Ausgabe 26

Der Übergang zu 5G fordert auch die Halbleitertechnik. Sie muss mit immer mehr und höheren Frequenzen fertig werden.

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Foto: mauritius images/Sergio Azenha/Alamy

Das Innenleben eines Smartphones. Mit 5G wird es da noch enger. Deshalb wird versucht, möglichst viele Funktionen auf einen Chip zu bringen.

Kein Netz! Wenn Smartphone-Besitzer diesen Ausruf tätigen, hat ihr Gerät gerade keine Funkverbindung zu einer Basisstation. Das passiert auch beim Autoradio, wenn der eingestellte Sender z. B. im Tunnel nicht empfangbar ist. Doch anders als das Radio, das auf einer Frequenz lauscht, sind die mobilen Telefone hier flexibler: Sie horchen (und funken) gleichzeitig in vielen unterschiedlichen Frequenzbereichen, den sogenannten Bändern.

Das französische Marktforschungsunternehmen Yole Développement untersuchte, wie die Zahl der Bänder, die ein iPhone funktechnisch unterstützt, über die Jahre zugenommen hat: Waren es 2007 noch weniger als fünf, so ist diese Zahl bis 2016 auf rund 40 angestiegen, davon allein 25 im aktuellen Mobilfunkstandard LTE. Denn auch die Vorgängerstandards bis hin zu GSM muss ein Smartphone beherrschen.

„Damit wächst die Komplexität der Hardware in den Geräten“, weiß Nadine Collaert, Forscherin am belgischen Elektronikforschungszentrum Imec. Und das werde sich mit dem Wechsel zur nächsten Generation 5G noch steigern, speziell dann, wenn die Frequenzbereiche über 26 GHz (sogenannte Millimeterwellen) zur Kommunikation herangezogen werden. Konkrete Festlegungen erfolgen hier zwar erst durch die World Radio Conference 2019, aber Collaert und ihre Kollegen bei den einschlägigen Chipherstellern bereiten sich bereits heute darauf vor.

Bisher liegen die für den Mobilfunk genutzten Frequenzbänder unter 6 GHz. Für die ersten 5G-Implementationen sind sogar Frequenzen unter 1 GHz vorgesehen, die zwar geringere Bandbreiten ausweisen, dafür aber eine höhere Reichweite haben als die höheren Frequenzen. Für diese Frequenzbereiche gibt es eine Vielzahl von Anbietern entsprechender Funkmodule, bestehend aus verschiedenen Komponenten wie Leistungsverstärker, Filter und mehr. Sie alle versuchen den Spagat zwischen möglichst hoher Sendeleistung, guter Empfangsqualität und geringem Stromverbrauch.

Das Problem: Laut Collaert sinkt die Effizienz und Ausgangsleistung z. B. von Leistungsverstärkern mit steigender Frequenz. Die bei den Chipherstellern so beliebte Silizium-Cmos-Technologie ist hier anderen Techniken unterlegen. Bei sehr hohen Frequenzen gehören Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems zu den Materialien der Wahl. Typische Vertreter sind Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP). Zusätzlich ziehen die Forscher noch ein Material in Betracht, das bisher vor allem in der Leistungselektronik Verwendung findet: Galliumnitrid (GaN).

In einem Forschungsprogramm mit der Industrie untersucht das Imec derzeit, wie die „Wunschliste“ der Chiptechnologen für eine 5G-Zukunft im Millimeterwellenbereich umgesetzt werden kann: mehr Leistung, als Silizium heute bieten kann, höhere Frequenzen, als Cmos heute leistet, dabei aber eine möglichst hohe Kompatibilität zu den etablierten Prozessen in der Chipindustrie. Denn letztlich wollen die Chiptechnologen die neuen Funkkomponenten mit klassischen Cmos-Schaltungen auf einem Chip integrieren und so vom Antennenanschluss bis zum Modem nur noch einen einzigen Funkchip im Smartphone haben.