HF-Frontends für 6G MEMS-Strukturen direkt in CMOS-Schichten integrieren

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Durch den kompakten Ansatz von MEMS-within-CMOS können mikroelektromechanische Systeme direkt in CMOS-Prozesse integriert werden. Dadurch erhöht sich nicht nur der Q-Faktor, sondern die so entwickelten Kondensatoren weisen auch eine hohe Linearität auf.

Nanusens hat mit der MEMS-within-CMOS-Technik eine Lösung entwickelt, die es ermöglicht, Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) direkt in Standard-CMOS-Prozesse zu integrieren. Damit lassen sich MEMS-Strukturen direkt in die CMOS-Schichten eines Chips integrieren. Das Ergebnis ist eine hochintegrierte Lösung. Das Unternehmen hat nun eine Entwicklung auf Basis dieser Technik vorgestellt, um HF-Frontends für 6G zu optimieren.

Der CEO von Nanusens, Josep Montanyà, betonte, dass dies auf ihrer Arbeit mit den oberen 5G-Bändern aufbaut, wobei ihre einzigartige Technologie nun auch kostengünstige Lösungen für 6G ermöglichen soll. Die 6G-Technik erfordert die Handhabung eines breiteren Spektrums höherer Frequenzen im Vergleich zu 5G. „Das bedeutet, dass wir zusätzliche Antennen in Geräten brauchen, die kleiner sein müssen, um in den kompakten Räumen moderner Smartphones untergebracht zu werden“, sagt Montanyà.

Kleinere Antennen leiden typischerweise unter einer geringeren Effizienz. Für eine optimale Leistung muss jede Antenne abstimmbar sein, um sich an verschiedene Bänder anzupassen und Fehlanpassungen mit Leistungsverstärkern zu vermeiden. Derzeit wird das durch abstimmbare Kondensatoren erreicht.

Integrierter Ansatz ist kompakt

Nanusens nutzt seine patentierte Technik, um mehrere digital abstimmbare Kondensatoren mit Größen von wenigen Nanometern zusammen mit der Steuerschaltung in CMOS-Schichten auf einem einzigen Chip zu integrieren. Dieser integrierte Ansatz ist kompakter und leistungsfähiger als konkurrierende Lösungen, vor allem aufgrund seiner Linearität, die zu minimalen Verzerrungen führt. Darüber hinaus sind diese Nanokondensatoren energieeffizienter und verlängern die Sprechzeit um bis zu 30 Prozent.

Zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen gehören ein hoher Q-Faktor. Dieser Qualitätsfaktor ist ein Maß für die Güte eines schwingungsfähigen Systems, insbesondere in Bezug auf die Effizienz und Dämpfung von Resonanzkreisen. Die Digital Tunable RF Capacitors (DTCs) von Nanusens haben einen Q-Faktor von über 100 bei 1 GHz, der auch bei höheren Frequenzen hoch bleibt, im Gegensatz zu Konkurrenzprodukten, deren Q-Faktor deutlich sinkt. Dieser hohe Q-Faktor ist entscheidend für die Minimierung von Leistungsverlusten und die Erhöhung der Reichweite, was zu einer Verbesserung des Nutzererlebnisses durch weniger Gesprächsabbrüche und Empfangsprobleme führt.

Die nanoskaligen Kondensatoren zeigen eine hohe Linearität, welche die Anforderung von 90 dBc für IMD3 bei 5G übertrifft. Außerdem kann die minimale Kapazität auf 30 fF (Femto Farad) für einen einzelnen Kondensator im ausgeschalteten Zustand reduziert werden, mit einem aktuellen Kapazitätsverhältnis von 2,2, das in zukünftigen Iterationen auf vier verbessert werden soll.

Besser im Vergleich zu Konkurrenzprodukten

Die von Nanusens entwickelte Technik adressiert die Probleme von Konkurrenztechniken. Dazu gehören Halbleiterschalter, die unter niedrigen Q-Faktoren aufgrund des Widerstands im eingeschalteten Zustand leiden und sich bei höheren Frequenzen verschlechtert. Die RF MEMS sind aufgrund von dielektrischer Aufladung und Durchbruch unzuverlässig. Das Design von Nanusens vermeidet das, da keine dielektrischen Materialien verwendet werden.

Das besondere Design von HF-Frontends für 6G

6G-Netze werden in wesentlich höheren Frequenzbereichen betrieben als 5G-Netze. Diese höheren Frequenzen bieten Vorteile wie höhere Datenraten und geringere Latenzzeiten, stellen aber auch erhebliche technische Herausforderungen dar. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass höhere Frequenzen stärker gedämpft werden und eine geringere Reichweite haben, was eine präzisere und effizientere Signalverarbeitung erfordert.

Um die Vielzahl der Frequenzen und Bänder abzudecken, die 6G unterstützen muss, sind mehr Antennen in den Geräten erforderlich. Diese zusätzlichen Antennen müssen jedoch in immer kleineren Geräten untergebracht werden, was die Effizienz und Leistung jeder einzelnen Antenne beeinträchtigen kann. Jede Antenne muss optimal abgestimmt sein, um sich an verschiedene Frequenzbänder anzupassen und Fehlanpassungen mit Leistungsverstärkern zu vermeiden. Dies wird derzeit durch abstimmbare Kondensatoren erreicht. In 6G-Netzen müssen diese Kondensatoren jedoch eine noch höhere Leistung und Effizienz bieten, um die Anforderungen zu erfüllen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Minimierung der Leistungsverluste. Der Q-Faktor (Qualitätsfaktor) ist ein Maß für die Effizienz eines Kondensators. Ein hoher Q-Faktor bedeutet geringere Verluste. Bei herkömmlichen Halbleiterschaltern sinkt der Q-Faktor bei höheren Frequenzen, was zu höheren Verlusten führt.(heh)

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