Wie lassen sich die Ziele der 5G-Funknetzkette und die Ziele für ein „grünes“ Netzwerk erreichen?

Willkommen in der Welt von RF-Galliumnitrid (GaN) – diese hocheffiziente, breitbandige und zuverlässige Leistungsverstärkertechnologie ermöglicht Jahr für Jahr signifikante Verbesserungen der Netzwerkeffizienz. Wie die Abbildung unten zeigt, hat die Einführung von GaN in Basisstationen (BTS) die Effizienz des Frontends deutlich verbessert und GaN damit zu einer bevorzugten Technologie für Anwendungen mit hoher und niedriger Leistung gemacht.

Die hervorragenden Eigenschaften von 2GaN, darunter hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad (PAE), hohe Verstärkung und einfache Impedanzanpassung, verbessern die Gesamteffizienz der HF-Kette. Ähnlich wie die Entwickler eines Formel-1-Rennwagens können Funktechniker ihre HF-Systeme feinabstimmen und optimieren, um die Leistung im Laufe der Zeit zu steigern. Der Einsatz grundlegend besserer Halbleitertechnologie von Anfang an ermöglicht das Erreichen der Leistungsziele bei gleichzeitig deutlich verbesserter Energieeffizienz.

5G und GaN

Der Ausbau der 4G-LTE-Netze schreitet voran, doch um die Lücke zu 5G zu schließen, sind mehrere Upgrades erforderlich. Wir befinden uns aktuell in der Definitions- und Machbarkeitsphase von 5G, aber Unternehmen wie Verizon beschleunigen die Zeitpläne, um frühzeitige Implementierungen mit Fokus auf festen drahtlosen Zugang zu ermöglichen.

Erste 5G-Tests begannen im Jahr 2013, und Daten aus frühen und aktuellen Tests werden nun regelmäßig veröffentlicht.

Schlüsseltechnologien, die vielversprechende Ergebnisse im Millimeterwellenbereich, bei massiven MIMO-Antennenarrays und Beamforming liefern, befinden sich bereits in der vorkommerziellen Entwicklungsphase. Alle Hersteller von Basisstationen haben die Produkterprobung eingeleitet.

Unternehmen wie Qualcomm, Intel und andere testen 5G-fähige Modems wie das X50-Modem, das im 28-GHz-Band arbeitet.

Qorvo und NanoSemi haben Demonstrationsdaten zu Linearisierungsergebnissen im Ultrabreitbandbereich für GaN-Bauelemente veröffentlicht, die für Massive-MIMO-Anwendungen geeignet sind. Diese zukunftsorientierten Unternehmen erforschen wichtige 5G-Systemarchitekturen, Frequenzbänder und Basistechnologien, um das optimale Verhältnis von Kosten, Leistung und Komplexität zu finden.

Um den vielfältigen Anforderungen von 5G gerecht zu werden, müssen GaN-Hersteller verschiedene Varianten für ein breites Frequenz- und Leistungsspektrum anbieten. Dank der zahlreichen verfügbaren GaN-Prozessoptionen können Entwickler die GaN-Technologie optimal an ihre Anwendung anpassen. Die folgende Grafik veranschaulicht die Kompetenzen von Qorvo in diesem Bereich.

Wie Doug Reep von Qorvo in einem anderen Artikel erwähnte, wird GaN die traditionellen Halbleitermaterialien für 5G-Netzwerkanwendungen wie kleine Zellen ersetzen, die höhere Frequenzen, enge Integration und niedrigste Implementierungskosten erfordern.

Er führte weiter aus, dass die Leistungsfähigkeit von Niederspannungs-GaN unweigerlich auch in mobilen Geräten Anwendung finden wird. Dank seiner Fähigkeit, in Umgebungen mit hohen Temperaturen zu arbeiten, eignet sich GaN ideal für passive Kühlung, Elektronik für Mobilfunkmasten im Außenbereich und Anwendungen im Automobilbereich. Insgesamt wird eine breite Auswahl an GaN-Technologien dazu führen, dass mehr Anwendungsbedürfnisse erfüllt werden können.

Heute wird GaN vor allem in den Marktsegmenten Small Cells und BTS eingesetzt und wird auch 2016 weiter wachsen. Die GaN-Lieferungen werden 2016 voraussichtlich fast 300 Millionen US-Dollar erreichen, gegenüber 150 Millionen US-Dollar im Jahr 2015.

Eine dichtere Bereitstellung von Kleinzellen, verteilten Antennensystemen (DAS) und Funkkopfstellennetzen mit großer Reichweite spielt bei diesem Trend eine wichtige Rolle.

Anreize wie unerschlossenes Spektrum, hoher Durchsatz und geringe Latenz bewegen Entwickler dazu, auf höhere mmWave-Frequenzbänder umzusteigen.

Millimeterwellen-Spektrumbänder bieten die 10- bis 30-fache Bandbreite der aktuellen 4G-Bänder (<4 GHz), und die Netzwerkkapazität ist direkt proportional zur verfügbaren Bandbreite.

GaN eignet sich ideal zur Bereitstellung der hohen Frequenzen und großen Bandbreiten, die im Millimeterwellenbereich erforderlich sind. Es erfüllt die Anforderungen an Leistung und geringe Größe, wie die obige Abbildung zeigt.

Anwendungen, die Millimeterwellenbänder nutzen, erfordern eine hochgerichtete Beamforming-Technologie (Beamforming bündelt Funksignale in hochgerichtete Strahlen, wodurch die Leistung erhöht und Störungen an den Benutzergeräten minimiert werden).

Dies bedeutet, dass das HF-Subsystem eine große Anzahl aktiver Bauelemente benötigt, um die relativ kompakte Apertur anzusteuern. GaN eignet sich hervorragend für diese Anwendungen, da die hohe Leistungsfähigkeit bei geringer Gehäusegröße zu seinen herausragendsten Eigenschaften zählt.

Bis 2020, wenn 5G ausgereift ist, werden wir alle seine Möglichkeiten und Vorteile entdecken. Heute treiben Tests, Planungen, Diskussionen und Demonstrationen die Definition der 5G-Standards voran. Doch schon morgen werden Latenzzeiten unter einer Millisekunde und extrem hohe Kapazitäten allgegenwärtig sein. Unabhängig vom Ergebnis wird GaN zweifellos zu einer Schlüsseltechnologie für 5G-Anwendungen werden. 

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