11. Mai 2023
Die digitale Welt boomt und ist längst im Alltag von Industrie und Gesellschaft angekommen. Laut Prognosen sollen 2025 bis zu 175 Zettabytes zirkulieren. Hinein spielt nicht nur die zunehmend Video-lastige Internetnutzung im privaten Raum, auch Tendenzen der Wirtschaft hin zu Industrie 4.0 und Smart Cities benötigen immer höhere Datenraten. Für die Übertragung dieser gigantischen Mengen ist eine neue, zuverlässige Infrastruktur vonnöten, deswegen wird bereits jetzt an 6G geforscht.
Ein Ziel des neuen Standards soll sein, im Bereich von Tbit/s Daten drahtlos zu übermitteln oder eine Echtzeitkommunikation zu ermöglichen. Um dies umzusetzen, werden hohe Bandbreiten benötigt – Untersuchungen laufen derzeit unter anderem im so genannten D-Band, also dem Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz. Bevor Hardware-Module für diesen Bereich nutzbar werden, ist umfassende Forschungsarbeit nötig: Neuartige Module wie Package-integrierte Frontend-Komponenten und Antennen müssen entwickelt, aufgebaut und getestet werden.
Das 6GKom-Team hat es sich zur Aufgabe gemacht, miniaturisierte, ultrabreitbandige Module zu entwickeln und somit ein Hardware-Fundament für die Mobilfunkkommunikation von morgen zu errichten. Zugleich werden innovative Testverfahren und -umgebungen simuliert, damit das D-Band-Modul nach Fertigstellung getestet, validiert und optimiert werden kann. Das Fraunhofer IZM koordiniert das Projekt und ist verantwortlich für die Entwicklung und den Aufbau einer aktiven 6G-Antenne sowie das Design und Packaging des Gesamtmoduls.
Um Verluste bei der Übertragung zu vermeiden, muss der Chip so nah wie möglich an der Antenne verbaut sein. Mit diesem Ansatz und bei der starken Miniaturisierung der Module entstehen sehr dichte Strukturen, so dass wiederum eine zuverlässige Wärmeableitung und Signalintegrität gewährleistet werden müssen. Hierfür werden Wafer-Level-Prozesse beim Aufbau genutzt: Es entstehen trotz feinster Strukturen nur sehr geringe Pfadverluste, und die Rückseite des Packages liegt frei, so dass an dieser Stelle eine direkte Anbindung zu einem Kühlkörper möglich ist.
Im Vergleich zu alternativen Lösungen – bei denen Antenne und Ansteuerchips als ein einziges Bauelement hergestellt werden – setzt das 6GKom-Team auf den Aufbau einer Package-integrierten Antenne: Damit löst sich das Antennendesign vom Silizium als Grundmaterial. Die gewonnene Freiheit bei der Materialauswahl ermöglicht eine bessere Performance bezüglich Bandbreite und Antennengewinn. Die Packagingmaterialien können also hinsichtlich geringer Verluste ausgewählt werden, wodurch die Leistung effizient abgestrahlt wird. Schliesslich würde die Platzierung auf dem Chip dessen Fläche deutlich vergrössern, was sehr kostenintensiv ist. Deshalb integrieren die Forschenden die Antennen ausserhalb des Chips.
Zum Projektabschluss wird ein Demonstrator entstehen, mit dem in einem Laboraufbau drahtlos zwischen den D-Band-Modulen kommuniziert werden kann. Die Antennen erreichen in der vorgesehenen Integrationsplattform Bandbreiten von rund 10 GHz. Durch die Bündelung mehrerer Kanäle können schliesslich die Terabitdatenraten erreicht werden.