30 Jahre IMST Vom Radiophone bis zur 6G-Forschung

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Die Geschichte von IMST begann von 30 Jahren mit einem besonderen Gesellenstück: Das Radiophone war ein Mobil-Telefon, direkt im Autoradio verbaut. Die Aufgaben der Ingenieure des IMST drehen sich heute um die drahtlose Kommunikation, unter anderem 6G.

Ein Teil der Zukunft sollte ab dem 11. September 1992 in Kamp-Lintfort geschrieben werden. In einer Forschungseinrichtung, die sich mit einem zur damaligen Zeit noch neuen Thema beschäftigte: dem Mobilfunk. Das war die Geburtsstunde der IMST GmbH, dessen Gründervater war Prof. Dr. Ingo Wolff. Nach zwei Jahren Bauzeit konnten die ersten Mitarbeiter im Jahr 1994 in den Neubau mit einer Fläche von 4.000 m² umziehen und in neu gestalteten Laboratorien ihre Arbeit fortsetzen. Ausgestattet war die Forschungseinrichtung nun mit einer hervorragenden Infrastruktur, ganz auf Mobilfunk und Mikroelektronik ausgerichtet.

Mit dem Radiophone hatte es begonnen

Das Gesellenstück war nach den Worten des Mitgründers und jetzigen Geschäftsführers Prof. Dr. Peter Waldow das Radiophone. Die Idee war es, ein Mobil-Telefon in ein Autoradio zu integrieren. IMST hat innerhalb von zwei Jahren im Auftrag von Bosch-Blaupunkt das Hochfrequenzteil für das Radiophone entwickelt. Das Produkt entwickelte sich zu einem außergewöhnlichen Erfolg, der mit dem Aufkommen von Bluetooth Anfang der 2000er Jahre ein Ende fand. Die Chips wurden kleiner und die Kopplung mit dem Autoradio einfacher.

Die Entwickler bei IMST mussten sich wieder neu positionieren. „Mein Haus kommt mir vor wie eine Reihe gekoppelter Resonatoren, je nachdem, welche Anregungsfrequenz von außen kommt, können wir reagieren“, vergleicht Waldow.

Alle führenden Foundries sind Kunden

IMST erweiterte Anfang der 2000er Jahre das Forschungsgebiet auf die Systemkomponenten. Zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben die Ingenieure unter anderem Chips für GPS- und Wi-Fi-Systeme entwickelt.

Unterschiedliche Funktionen auf einem Chip bannen: Das ist mit einem System on Chip (SoC) möglich und war dann der nächste logische Schritt: „Angefangen haben wir mit dem Foundry-Service der IBM Labs. Heute sind nahezu alle weltweit führenden Foundries unsere Kunden“, beschreibt es Waldow.

Es gibt noch einige Spezial-Foundries, die sich auf Schaltungen auf III-V Substraten, beispielsweise auf Gallium-Arsenid (GaAs), konzentrieren. Deren Anwendung betrifft Projekte, die sich vor allem in der Weltraumkommunikationstechnik finden. Denn hier kommt es auf strahlungsfeste Komponenten an.

„Auf der einen Seite bedienen wir den Silizium-Bereich mit seinen kommerziellen Entwicklungen und auf der anderen Seite die strahlungsfesten Bauteile mit einer eigenen qualifizierten Produktlinie“. Ziel war es, eine gewisse digitale Souveränität zu schaffen und damit unabhängig von den US-Vorgaben zu sein. Ein Schritt in diese Richtung sind die weltraumqualifizierten und von der ESA akzeptierten Bauteile.

„Wir unterstützen Kundenprojekte auf modernen Linien wie 22-nm-CMOS oder 14-nm-CMOS. Die Hardware, um Chips in Europa kostengünstig zu produzieren, haben wir leider nicht, da diese viel günstiger in Asien produziert werden können“, sagt Waldow

Die Geschäfte mit Siemens Mobile

„Auch Siemens Mobile war einst wichtiger Kunde von IMST. Wir sind stolz, dass die Funkteile bei diesen Mobilfunkgeräten von IMST kamen. Rund 35 Prozent des Umsatzes kamen zu dieser Zeit von der Siemens-Tochter, die ihre GSM-Mobiltelefone in Kamp-Lintfort produzierte und weltweit verkaufte. Doch unser Schlüsselkunde wurde 2005 an das taiwanische Unternehmen BenQ verkauft. Wie die Story endete, dürfte allseits bekannt sein“, berichtet Waldow.

Automotive und Schiene

Nach der Bankenkrise 2008 hat IMST ein Kompetenzcluster Kommunikationstechnik-Automotive, kurz das KAT, ins Leben gerufen. Namhafte Hersteller beteiligten sich, kooperierten und entwickelten mit IMST ausgeklügelte Antennen für Fahrzeuge. Das Besondere dieser sogenannten „intelligenten Antenne“ war die Vorverarbeitung der Daten am Ort der Einspeisung. So mussten die störanfälligen Hochfrequenzsignale nicht mehr im Autoinneren mit teuren HF-Kabeln geführt werden.

Im Umfeld der Kommunikationstechnik für Automotive-Anwendungen ergaben sich weitere, zukunftsweisende Aktivitäten. Beispielhaft zu nennen ist das Konzept der virtuellen Testfahrten, das bis heute hochaktuell ist. Dazu arbeitet IMST unter anderem mit den Kollegen der TU Ilmenau in Thüringen zusammen. Ziel ist es, die Empfangs- und Signalqualitäten eines fahrenden Autos in der Simulation zu untersuchen, zu validieren und zu optimieren.

Radar-Systeme mit 24 GHz

Automobilanwendungen legten den Fokus der IMST-Ingenieure auf miniaturisierte Radar-Systeme in dem Frequenzbereich bei 24 GHz und höheren Frequenzen mit 60, 77 GHz und 81 GHz. Mittlerweile ist dies ein interessanter Unternehmensbereich mit sehr unterschiedlichen Einsatzbereichen und Themen geworden.

Bekannt sind Radarsysteme vor allem im Straßenverkehr. In aktuellen Projekten soll das Radar Fußgänger und Radfahrer erkennen. Waldow verrät, dass die IMST-Mitarbeiter komplexe Projekte lieben und an unterschiedlichen Lösungen arbeiten. Das hat praktische Folgen: Denn die Ergebnisse fließen teilweise wieder in neue Kundenprojekte ein. So sind aus dem Radar-Umfeld viele neue Entwicklungen entstanden. „Wir können die komplette Radar-Bandbreite anbieten, sogar eine künstliche Intelligenz lässt sich in das Modul integrieren”, erzählt Waldow.

Ein so ausgestattetes Radar-Modul klassifiziert ganz unterschiedliche Ziele und lässt sich trainieren. Eingesetzt werden kann es nicht nur im Straßenverkehr, sondern es überwacht auch den Zugang zu Firmengeländen, sogenannte Intruder-Detektion. Typische Anwendungen im Bereich von Windparks, die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien auf Defekte oder Schwachstellen, die Vermeidung von Vogelschäden durch rechtzeitige Detektion und entsprechend eingeleitete Maßnahmen lassen sich aufzählen. Auch die Dicke von Eisschollen oder aber die Vereisungsdicke auf Rotorblättern lassen sich mit dieser Technik ermitteln.

Neben den 24 GHz geht die Entwicklung hin zu höheren Frequenzen mit 77/78 GHz und 81 GHz. Populäre Anwendungen finden sich hier bei der Einparkhilfe und der Abstandssensorik, die mittlerweile in fast jedem Auto verbaut ist. Doch einem rein autonomen Fahren steht Waldow kritisch gegenüber. „Hier muss ich die Umgebungssituation stark einschränken, damit die technischen Systeme nicht überlastet werden. Etwas anderes wäre es, wenn eine komplette Infrastruktur komplett neu aufgebaut würde“, fasst er es zusammen. Allerdings lassen sich mit der Radartechnik viele Unfälle vermeiden.

Akkreditiertes Prüflabor für Hochfrequenzen

In den 1990er Jahren gab es die öffentliche Diskussion, ob „Mobilfunk schädigt“. Die Landesregierung Nordrhein-Westfalen hatte sich deshalb entschlossen, eine neutrale Instanz mit wissenschaftlichem Anspruch zu schaffen. Nicht nur die klassische EMV sollte abgedeckt werden, sondern auch die möglichen Auswirkungen von Funk auf lebendes Gewebe – EMVU. Mit diesem Fokus wurde das IMST Prüfzentrum als unabhängige Business Unit eröffnet. Hier drin vereinen sich die klassische EMV-Prüfung, die EMVU- Prüfung und die Funkprüfungen.

Im Bereich der EMVU-Prüfung betreibt IMST eines der ganz wenigen SAR- (Spezifische Absorptionsrate) Labore in Deutschland. Die Ingenieure können hier die SAR-Werte von funkenden Geräten untersuchen und mit den entsprechenden Grenzwerten vergleichen. Das Labor arbeitet hierzu weltweit mit Firmen, Hochschulen und Standardisierungsgremien zusammen.

„Die Kombination aus erfahrener Entwicklungsmannschaft und dem unabhängigen Test Center unter einem Dach hat einen großen Vorteil für die Kunden. Wenn ein Kundenprodukt bei einer Prüfung im TestCenter Abweichungen von der Norm zeigt, kann der Kunde im Entwicklungsbereich IMST zeitnah und unbürokratisch aufwandsbasierte Unterstützung bei der Fehlerbehebung erhalten, um dann im Test Center das optimierte Produkt ohne Zeitverlust erneut zu testen“, erzählt Waldow.

„Außerdem können die Ingenieure des IMST während einer Auftrags-Entwicklung in allen Musterphasen im IMST TestCenter prüfen lassen, ob eine HF-Baugruppe zertifizierbar ist und somit böse Überraschungen am Ende vermeiden“, sagt Waldow weiter. In keinem der Fälle, dürfen die Prüfingenieure sich an der Entwicklung beteiligen, aber sie können natürlich wertvolle Tipps geben.

Elektromagnetische Felder künftig simulieren

Im Mittelpunkt dieser Tests steht die Belastung des Menschen durch elektromagnetische Wellen: Bei GSM war die Messtechnik noch überschaubar. Komplexer wird es bei UMTS und LTE bis zu 5G. Hier ist für eine normenkonforme Prüfung ein ganzes Bündel an Mess-Konfigurationen und Anwendungsfällen messtechnisch umzusetzen und zu überprüfen. Dabei hilft die Simulation. Hier punktet IMST damit, dass Prof. Wolff als anerkannter Feldtheoretiker schon früh die Grundlagen für Feldsimulationen gelegt hat: Unser Produkt EMPIRE-XPU ist so weit, dass wir sogar die Wellenausbreitung in einem Flugzeug oder Auto berechnen können. Damit sind wir in der Lage, die Einhaltung der Grenzwerte durch Simulationen zu überprüfen.

Die vielen Regularien sieht Waldow kritisch. Es ist ein immer höherer Aufwand, der durch verschiedene Stellen vorgegeben ist. „Vieles erscheint mir überreguliert – wir müssen eine hohe Zuverlässigkeit in die Praxis bringen.“ Von Vorteil ist die Tatsache, dass die Mitarbeiter des IMST in verschiedenen internationalen Gremien bei der Erarbeitung zukünftiger Standards mitarbeiten.

In Zukunft wird die klassische Messung direkt an der Hardware nicht mehr unbedingt notwendig sein. Dank komplexer und ausgeklügelter Software lassen sich elektromagnetische Felder simulieren. „Wir können das mit unserer Software anbieten und es wird in den nächsten Jahren immer bedeutender werden.“

Forschungen an 6G

Kommunikation und Frequenzen hängen zusammen. Aktuell arbeiten die Ingenieure des IMST bereits am Nachfolger von 5G: Bei 6G geht es um noch einmal höhere Frequenzen im Terahertz-Band und deutlich komplexere HF-Konfigurationen. Gründervater Wolff hatte hierzu bereits eine Arbeitsgruppe an der Universität Duisburg mitgegründet. Es geht bei den Forschungen neben Antennen und Systemen auch um sogenannte Meta-Materialien.

Für die hohen Frequenzen im Terahertz-Band sind verbesserte Linsen-Strukturen und Antennen notwendig. Sie kommen bei IMST direkt aus dem 3D-Drucker. Die Additive Fertigung wird die Entwicklungsarbeit in den nächsten Jahren stark verändern.

LoRa und die Kommunikation in der Fläche

Wir waren 2013 die ersten, die weltweit das erste LoRa-Modul anbieten konnten. LoRa ist einer der der sogenannten Low-Power-Wide-Area-Network-Technologien (LPWAN). Zwei wichtige Vorteile dieser Technologie sind der niedrige Energieverbrauch (Low Power) des Übertragungsverfahrens und die damit verbundene hohe Batterielaufzeit sowie die große Funkreichweite (Wide Area).

Bei LoRa bieten wir ein Produkt an, das auf die Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten ist. Die Lösung kann entweder mit dem standardisierten LoRaWAN-Protokoll oder mit einer hochheffizienten proprietären Protokollsoftware betrieben werden.

In Kamp-Lintfort haben wir im Rahmen eines Forschungsprojektes zusammen mit den Stadtwerken und dem örtlichen Wasserversorger begonnen, eine Smart City aufzubauen. Sie wird über ein LoRaWAN-Netz überwacht. Nach Projektende soll es weiter betrieben werden.“

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die Zertifizierung von LoRa. Die Ingenieure von IMST überprüfen, ob alle Normen eingehalten werden und testen das Netz. Das wird in solchen Umfang in Deutschland nur noch von einem Mitbewerber abgedeckt. „Das ist für uns ein künftig sehr interessantes Geschäftsmodell.“

Neben dem Beispiel der Smart City haben wir mit Bodenfeuchtesensoren im Wald eine weitere Anwendung für LoRa umgesetzt. Die beiden Beispiele zeigen, dass die LoRa-Technik sehr breit aufgestellt ist. Das reicht von Umweltsensorik, Tracking, Metering bis hin zur intelligenten Straßenleuchte. In allen Anwendungen werden kurzzeitig und typisch Daten mit geringer Datenrate über große Reichweiten übertragen. Es wurden im Freien Reichweiten bis zu 15 km erzielt.

Vom Radiophone bis 6G

Radiophone, Siemens-Handys, Automotive-Radar, LoRa, 5G und seit neustem auch 6G. IMST hat viele technische Veränderungen seit der Gründung im Jahr 1992 begleitet und selbst auch getrieben. 30 Jahre am Markt zeigen, dass IMST mit seinem technologisch getriebenen Anspruch sich gegenüber den Mitbewerbern behaupten konnte. Heute sind wir im Markt eine feste Größe, wenn es um die drahtlose Kommunikation geht. Und das Ziel ist klar: „Wir ersetzen das Kabel“, fasst es Waldow abschließend zusammen.

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