Mindestens acht Milliarden mobile Geräte gibt es aktuell weltweit, die über Mobilfunk vernetzt sind. Der rasante Informationsaustausch in der Kommunikation von Smartphones, Car-to-Car (C2) oder Machine-to-Machine (M2M) lässt das Datenvolumen explodieren. Für die Visionen von Industrie 4.0 oder dem autonomen Fahren ist Funkkommunikation in Echtzeit mit Datenübertragungsraten von 10 GB/s notwendig.
Das heutige 4G-LTE ist jedoch maximal für 300 MB/s ausgelegt und nicht echtzeitfähig. Deswegen arbeiten Mobilfunkanbieter und Netzwerkausrüster zusammen mit Forschern am leistungsfähigeren Standard 5G, der ab 2020 die Datenflut zuverlässig übertragen soll. Die Forscher der Fraunhofer IAF entwickeln Leistungsverstärker, die mehr Daten schneller und energieeffizienter durch das Mobilfunknetz schicken können.
Halbleiter für die Datenflut
Für 5G werden im ersten Schritt zusätzliche Funkfrequenzen bis 6 GHz freigemacht. Höhere Frequenzen bedeuten eine schnelle Datenübertragung, aber auch weniger verfügbare Leistung für die Sender. Daher fertigen die Fraunhofer Forscher die winzigen Mikrochips aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN). „Durch seine spezielle Kristallstruktur können auch bei hohen Frequenzen dieselben Spannungen angelegt, also mehr Leistung erzielt werden“, sagt Rüdiger Quay von der Fraunhofer IAF.
Jedes Bit an Information benötigt einen bestimmten, konstanten Energiebetrag, wenn es per Funk übertragen wird. Mit 5G sollen im Vergleich zu heute 200 Mal mehr Bits mit vergleichbarer Energie übertragen werden.Aktuell können Basisstationen nur mit sehr hohem Energieaufwand hohe Datenraten übertragen. Der Grund: Sie pusten Funkwellen ungerichtet in die Luft. Mit neuen steuerbaren Antennen und GaN-basierten Leistungsverstärkern erreichen Informationen dagegen punktgenau den Empfänger.
Die Rohstoffe für GaN stehen in großen Mengen zur Verfügung. Stickstoff kann aus der Luft gewonnen werden und Gallium ist Abfallprodukt bei der Metallverarbeitung. GaN ist wichtiger Bestandteil von blauen und weißen LEDs. Der Erfolg dieser Lichttechnologie hat dazu beigetragen, dass die Herstellung von GaN immer günstiger wird. Mittlerweile übersteigen die Stromeinsparungen im Betrieb die Produktionskosten des im Vergleich zum Silizium noch teureren GaN.