Forschung im D-Band Komplexes Antennendesign für Terabit-Datenraten

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Im D-Band von 110 bis 170 GHz sollen mit komplexen Antennen Terabit-Datenraten möglich werden. In einem ersten Schritt sollen die Basiskomponenten des Packages auf ihre Eignung für das D-Band untersucht werden.

Die zunehmende Digitalisierung spiegelt sich auch in der Zunahme des weltweiten Datenvolumens wider. Im Jahr 2020 wird das geschätzte weltweite Datenvolumen die kaum vorstellbare Menge von über 50 Zettabyte (entspricht über 50 Billionen Gigabyte) erreichen. Für das Jahr 2025 werden bis zu 175 Zettabyte prognostiziert. So die Experten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz.

Die Übertragung dieser enormen Datenmengen erfordert eine neue, zuverlässige Infrastruktur – denn die Kanalbreiten der ersten vier Mobilfunkgenerationen (1 bis 4G) sind nahezu vollständig ausgelastet. Für die Einführung der fünften Mobilfunkgeneration wurden daher bereits höhere Frequenzen oberhalb von 6 GHz eingerichtet. Doch auch dieser Standard reicht nicht aus, um alle Anforderungen zukünftiger Anwendungen zu erfüllen. Mit 6G sollen Daten drahtlos mit Terabits pro Sekunde übertragen und damit Echtzeitkommunikation ermöglichen. Hohe Bandbreiten stehen oberhalb von 100 GHz bereit. Derzeit wird unter anderem im so genannten D-Band geforscht, also von 110 bis 170 GHz.

Für das D-Band sind neuartige Module notwendig

Bis Hardware-Module für das D-Band einsatzfähig sind, müssen Forscher noch umfangreiche Arbeit leisten: Notwendig sind neuartige Module wie Package-integrierte Frontend-Komponenten und Antennen, die aufgebaut und getestet werden müssen.

Ein großes Problem beim Entwurf neuer Komponenten ist die hohe Freiraumdämpfung der Signale. Um sie zu überwinden, sind Architekturen mit hunderten von Antennen pro Mobilfunk-Basisstation mit integrierter Strahlformung, sogenannte massive MIMO-Architekturen, notwendig. Zusätzlich müssen parasitäre Terahertz-Effekte bei der Planung des Basisbandes berücksichtigt werden.

Miniaturisierte Ultrabreitbandmodule

Das Konsortium im BMBF-geförderten Projekt 6GKom hat es sich zur Aufgabe gemacht, frühzeitig miniaturisierte Ultrabreitbandmodule zu entwickeln und damit eine Hardwarebasis für die Mobilfunkkommunikation von morgen zu schaffen.

Gleichzeitig notwendig sind Testverfahren und -umgebungen, um die Kommunikation im D-Band zu simulieren und anschließend das Modul zu testen, zu validieren und zu optimieren. Um die Spezifikationen der neuen Generation anwendungsorientiert umzusetzen, haben die Kooperationspartner ihre Vorstellungen im Vorfeld mit einem breit aufgestellten Industriebeirat aus dem Umfeld von Chip-, Leiterplatten- und Materialherstellung, Telekommunikation sowie Luftfahrt- und Landmaschinenindustrie abgestimmt.

Komplexes Design einer 6G-Antenne

Das Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und ist verantwortlich für die Entwicklung und den Aufbau einer aktiven 6G-Antenne sowie für das Design und Packaging des gesamten Moduls. Der Clou beim Aufbau ist das komplexe Design der Antenne: Um Übertragungsverluste zu vermeiden, muss der Chip so nah wie möglich an die Antenne montiert werden.

Dadurch und durch die starke Miniaturisierung der Module entstehen sehr dichte Strukturen, die wiederum eine zuverlässige Wärmeableitung und Signalintegrität gewährleisten müssen. Unter Abwägung aller Anforderungen entschied sich das Experten-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 an einen Kühlkörper möglich ist.

Antennendesign mit Silizium als Basismaterial

Im Vergleich zu alternativen Entwicklungen, bei denen Antenne und Treiberchips als ein Bauelement, also beide aus Silizium, hergestellt werden, setzt das 6GKom-Team auf den Aufbau einer Package-integrierten Antenne: Damit löst sich das Antennendesign vom Silizium als Basismaterial. Die gewonnene Freiheit bei der Materialwahl ermöglicht eine bessere Performance in Bezug auf Bandbreite und Antennengewinn.

Die Gehäusematerialien können so nach geringen Verlusten ausgewählt werden, so dass die Leistung effizient abgestrahlt und nicht in Verlustleistung umgesetzt wird. Schließlich würde die Platzierung auf dem Chip dessen Oberfläche stark vergrößern, was sehr kostspielig ist. Deshalb integrieren die Forscher die Antennen außerhalb des Chips. Am Ende des Projekts soll ein Demonstrator stehen, der die drahtlose Kommunikation zwischen D-Band-Modulen in einem Laboraufbau ermöglicht.

Mehrere Kanäle für höhere Datenraten bündeln

In der ersten Phase der Technologieentwicklung haben die Forscher mithilfe von Simulationen und selbstentwickelten Teststrukturen die D-Band-Eignung der Basiskomponenten des Packages wie Leitungen, Leitungsübergänge und Antennen identifiziert.

Die Antennen erreichen in der geplanten Integrationsplattform Bandbreiten von rund 10 GHz. Durch Bündelung mehrerer Kanäle können schließlich Terabit-Datenraten erreicht werden. Nachdem die aktiven Komponenten zur Steuerung der Antennenabstrahlcharakteristik von den Projektpartnern gefertigt wurden, muss das Gesamtmodul entwickelt werden. Es soll ein leistungsfähiges und zuverlässiges Hardwaresystem für Frequenzen über 100 GHz entstehen.

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