Mit größerer Materialauswahl zu besserer Hardware

Startschuss für 6G

Schon zur Etablierung der 5. Mobilfunkgeneration wurden höhere Frequenzen oberhalb der 6GHz eingerichtet. Doch auch dieser Standard reicht nicht aus, um alle Anforderungen der Zukunftsanwendungen zu erfüllen. Deswegen wird bereits jetzt an 6G geforscht. Ein Ziel des neuen Standards soll sein, im Bereich von TBit/s Daten drahtlos zu übermitteln oder eine Echtzeitkommunikation zu ermöglichen.
 Die Fertigungsprozesse kostengünstiger Antennenpackages für 6G-Anwendungen konnten bereits erfolgreich demonstriert werden.
Die Fertigungsprozesse kostengünstiger Antennenpackages für 6G-Anwendungen konnten bereits erfolgreich demonstriert werden.Bild: Fraunhofer-Institut IZM

Um dies umzusetzen, werden hohe Bandbreiten benötigt: Solche sind oberhalb von 100GHz vorhanden. Untersuchungen laufen derzeit u.a. im so genannten D-Band, also dem Frequenzbereich von 110 bis 170GHz. Bevor Hardware-Module für diesen Bereich nutzbar werden, ist umfassende Forschungsarbeit nötig: Neuartige Module wie Package-integrierte Frontend-Komponenten und Antennen müssen entwickelt, aufgebaut und getestet werden. Bei der Konzeption neuer Bauelemente tritt die hohe Freiraumdämpfung der Signale als ein großes Problem auf. Um diese zu überwinden, sind Architekturen mit hunderten Antennen pro Mobilfunk-Basisstation mit integrierter Strahlformung, so genannte massive MIMO-Architekturen, notwendig. Zusätzlich müssen die parasitären Terahertz-Effekte bei der Planung des Basisbands mitgedacht werden. Das Konsortium im BMBF-geförderten Projekt 6GKom hat es sich zur Aufgabe gemacht, frühzeitig miniaturisierte, ultrabreitbandige Module zu entwickeln und somit ein Hardware-Fundament für die Mobilfunkkommunikation von morgen zu errichten. Zugleich werden Testverfahren und -umgebungen simuliert, damit das D-Band-Modul nach Fertigstellung getestet und validiert werden kann. Um die Spezifikationen der neuen Generation anwendungsorientiert umzusetzen, stimmten die Kooperationspartner ihre Vorstellungen im Vorfeld mit einem breit aufgestellten Industriebeirat ab. Das Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und ist verantwortlich für die Entwicklung und den Aufbau einer aktiven 6G-Antenne sowie das Design und Packaging des Gesamtmoduls. Um Verluste bei der Übertragung zu vermeiden, muss der Chip so nah wie möglich an der Antenne verbaut sein. Mit diesem Ansatz und bei der Miniaturisierung der Module entstehen dichte Strukturen, so dass wiederum eine zuverlässige Wärmeableitung und Signalintegrität gewährleistet werden müssen. Unter Abwägung aller Anforderungen entschied sich das Team rund um Michael Kaiser und Prof. Ivan Ndip für die Nutzung von Wafer-Level-Prozessen beim Aufbau: Dabei entstehen trotz feinster Strukturen nur sehr geringe Pfadverluste, zudem liegt die Rückseite des Packages frei, so dass an dieser Stelle eine direkte Anbindung zu einem Kühlkörper möglich ist.

Materialwahl im Antennendesign

Im Vergleich zu alternativen Lösungen – bei denen Antenne und Ansteuerchips als ein einziges Bauelement, sprich beide aus Silizium, hergestellt werden – setzt das 6GKom-Team auf den Aufbau einer Package-integrierten Antenne: Damit löst sich das Antennendesign vom Silizium als Grundmaterial. Die gewonnene Freiheit bei der Materialauswahl ermöglicht eine bessere Performance in Bezug auf die Bandbreite und den Antennengewinn. Die Packagingmaterialien können also hinsichtlich geringer Verluste ausgewählt werden, wodurch die Leistung effizient abgestrahlt und nicht in Verlustleistung umgesetzt wird. Schließlich würde die Platzierung auf dem Chip dessen Fläche deutlich vergrößern, was sehr kostenintensiv ist. Deshalb integrieren die Forschenden die Antennen außerhalb des Chips. Zum Projektabschluss wird ein finaler Demonstrator entstehen, mit dem in einem Laboraufbau drahtlos zwischen den D-Band Modulen kommuniziert werden kann.

In der ersten Phase identifizierten die Forschenden mit Hilfe von Simulationen und der Herstellung von Teststrukturen die Eignung der Grundbausteine des Packages, wie Leitungen, Leitungsübergänge und Antennen für das D-Band. Die Antennen erreichen in der vorgesehenen Integrationsplattform Bandbreiten von circa 10GHz. Durch die Bündelung mehrerer Kanäle können schließlich die Terabitdatenraten erreicht werden. Nachdem die aktiven Komponenten zur Steuerung der Antennenabstrahlcharakteristik von den Projektpartnern gefertigt wurden, beginnt das Fraunhofer IZM mit der Arbeit rund um die Integration zu einem Gesamtmodul. In enger Zusammenarbeit der Partner soll ein leistungsfähiges und zuverlässiges Hardware-System für Frequenzen über 100GHz entstehen.

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