Digitale Transmitter

Die Nachfrage nach kompakter, besser herstellbarer Leistungselektronik mit höheren Leistungen steigt. Dies hat den starken Anstieg der Schaltfrequenzen in den unteren GHz-Bereich motiviert. Mit Hochfrequenz-DC/DC-Wandlern lässt sich die Größe der passiven Komponenten, die für die Ausgangsnetzwerke der Wandler und die Energiespeicherung verwendet werden, erheblich reduzieren. Dies führt zu reduziertem Formfaktor und Gewicht, höherer Leistungsdichte und schnellerem Schaltverhalten.

Darüber hinaus besteht das Potenzial zur monolithischen Integration sehr kompakter Versorgungen mit stark reduzierten parasitären Induktivitäten. Basierend auf dem FBH 0,25 µm GaN-Prozess realisieren wir monolithische Wandler-ICs mit hocheffizienten Gate-Treibern. Sie sind das Herzstück verschiedener Anwendungen wie Abwärtswandler für 48 V PoL-Energiewandlung oder Versorgungsspannungsmodulatoren.

Darüber hinaus werden seit 2022 im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 2312 "Energy Efficient Power Electronics 'GaNius'" AlN-basierte VHF Konverter im DiPA Lab untersucht.

Das patentierte digitale Modulatorkonzept mit höchster Linearität und integrierter verlustfreier digitaler Vorverzerrung (DPD) liefert Bitfolgen, die perfekt auf digitale Verstärker jeder Technologie zugeschnitten sind. Außerdem kann es Zeitverzögerungen mit ps-Genauigkeit zwischen mehreren Sendezweigen für Phased Arrays in digitalen Beamforming-Netzwerken realisieren. 

Um die Anwendungsfelder zu erweitern, soll das Modulatorkonzept in Zusammenarbeit mit der TU Berlin auf CMOS realisiert werden. Zusammen mit einem integrierten Leistungsverstärker (PA) stellt dies ein neuartiges Senderkonzept für flexiblere, energiesparende Handsets dar. Dies wird seit Februar 2023 in einem 3-jährigen DFG-Projekt angegangen. 

Die GaN-basierten digitalen Senderaktivitäten konzentrieren sich auf Sub-6-GHz-MIMO-Systeme mit digitalem Beamforming. Das umfasst die Integration mit hochrobusten LNAs zu digitalisierten Transceivern, die hauptsächlich auf verspannten GaN-HEMTs basieren. Durch Variation der Abschnürspannung der Transistoren sollen effizientere Treiber und somit auch Transmitter entstehen. Zusätzlich können die digitalen Senderketten durch die inhärent im digitalen Modulator enthaltene Linearisierungsmöglichkeit ohne zusätzliche Energieverluste gemäß den aktuellsten Anforderungen linearisiert werden.

Neben den Aktivitäten zum eigentlichen GaN-basierten digitalen Verstärkerteil gibt es einen weiteren wichtigen Block in der voll digitalen Senderkette, der von uns bearbeitet wird:

Die sonst üblichen digitalen SiGe- oder BiCMOS-Pulsquellen können wegen zu geringer Spannungshübe GaN-Transistoren nicht direkt digital betreiben. Zusätzlich zu 5 V_pp Amplitude benötigen DC-gekoppelte digitale und mehrstufige GaN-Leistungsverstärker ein festes DC-Potential am Eingang. Dieses muss auf unterschiedliche breitbandige Eingangsmodulations-Schemata dynamisch angepasst werden können. Ein neuartiges GaN-basiertes Treiberverstärker-Modul mit integrierter DC-Potenzialverschiebung erfüllt all diese Anforderungen. Das zentrale Element des kompakten Moduls bildet ein im Digital PA Lab entwickelter GaN-Chip. Der Vorverstärker liefert eine kontrollierbare Verschiebung zwischen -1.5 V und -11 V. Ein Spannungsgewinn von 11 wird darüber hinaus an einer GaN-HEMT-typischen Eingangsimpedanz erreicht. Die 3 dB Bandbreite beträgt DC -3,2 GHz und der typische Leistungsverbrauch liegt bei 2,3 W.

Darüber hinaus arbeiten wir parallel auch an einer CMOS-basierten Lösung mit erweiterter Durchbruchspannung. Das verfolgen wir in Zusammenarbeit mit der TU Berlin und der Mixed-Signal Circuit Design - Gruppe von Prof. Friedel Gerfers. 

Wir denken Green ICT nicht nur für die Gegenwart, sondern bereits für 6G-Anwendungen und darüber hinaus. Green ICT wird auch bei intelligenten Phased-Array-Sendern im Sub-THz-Bereich bis 300 GHz ein wichtiger Schwerpunkt sein. Möglichst effiziente, neuartige Senderkonzepte mit Schaltverstärkern werden auf die InP-basierten 6G-Schaltungen für die drahtlose Kommunikation übertragen. Diese werden durch intelligente Designs an den Grenzen der Technologie realisiert. Die hocheffizienten Sender treiben den grünen Aspekt der für 6G erforderlichen Massive Scale Arrays voran. Auch eine Verbindung mit einer geeigneten Hochgeschwindigkeits-SiGe-Technologie auf Basis von 3D-heterointegrierten Chiplets für mehr Funktionalität ist geplant.

Erweitert wird unsere Roadmap im sub-THz-Bereich um effiziente Gleichrichter in InP-Technologie für die Energiegewinnung im Rahmen des Internet-of-Things (IoT).