InP-HBT-Transceiver
Entwurf elektronischer Komponenten & Module
Das FBH zielt darauf kompakte hoch-performante InP MMIC-Transceiver bis zu Terahertz-Frequenzen bereitzustellen. Wir beschäftigen uns mit MMIC-Chipentwurf und integrierten Antennen sowie Bauelemente- und Schaltungscharakterisierung bei THz-Frequenzen. Wir haben einen Foundryservice etabliert mit InP-DHBT-MMICs und sind führend im Bereich der waferlevelbasierten Heterointegration von InP-on-BiCMOS in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP). Wir erreichen derzeit Grenzfrequenzen von über 500 GHz und streben Grenzfrequenzen oberhalb von 700 GHz an. Flip-Chip-Übergänge haben wir bis 500 GHz demonstriert.
Der MMIC-Entwurf am FBH basiert auf Design-Kits mit aktiven und passiven Bauelementen und einem eigenen Großsignal-Transistormodel für HBT-Bauelemente unter Berücksichtigung thermischer Effekte. Die Transistoren besitzen eine hohe Durchbruchspannung bis zu hohen Frequenzen mit einem niedrigen Phasenrauschen bei Oszillatoren. Daher konzentriert das FBH seine Aktivitäten auf die Signalerzeugung und Leistungsverstärkung.
Realisierte InP-DHBT-MMIC-Schaltungen für Kommunikations- und Radaranwendungen bei Frequenzen > 100 GHz
Signalerzeugung
Es wurden rauscharme Oszillatoren bei Frequenzen von 100 GHz bis 500 GHz entworfen, hergestellt und charakterisiert. Unsere Fundamental und harmonischen Oszillatoren glänzen durch exzellente DC-zu-RF-Effizienz, sehr hohe Ausgangsleistung und niedriges Phasenrauschen.
Beispiel eines harmonischen (3. Harmonische) Oszillators bei 290 GHz mit Ausgangsleistung von -8,5 dBm, 0,5% DC-RF-Wirkungsgrad und 480 GHz Push-Push-Oszillator.
Frequenzvervielfacher
Ultrabreitbandige Frequenzvervielfacher bis in das J-Band bei 300 GHz wurden entworfen und realisiert. Diese liefern eine Spitzenleistung von Pout = 10 dBm. Es wurden sowohl Verdoppler, Verdreifacher und Quadruppler realisiert.
Als Beispiel erreicht ein Frequenzverdoppler im G-Band (140 GHz - 220 GHz) eine Ausgangsleistung von Pout > 5 dBm über das ganze Band
Leistungsverstärker
Für die MMIC-Leistungsverstärker werden Ausgangsleistungen von Pout > 20 dBm über eine Bandbreite größer als 10 GHz mit einem Wirkungsgrad PAE > 15% bis D-Band angestrebt. Bei 300 GHz wurden Leistungsverstärker mit bis zu 10 dBm entwickelt.
Heterointegration InP-on-BiCMOS MMIC
Realisierung von InP-on-BiCMOS MMIC als Signalquellen, Frequenzvervielfacher und Frequenzumsetzer im Rahmen einer Wafer-Level-Heterointegration.
Als Beispiel dienen eine 246 GHz Signalquelle mit BiCMOS VCO und InP-Verdreifacher mit einer Ausgangsleistung Pout ~ -2 dBm, harmonische Unterdrückung : > 25 dB, und ein Phasenrauschen: -85 dBc/Hz @ 1 MHz und ein Frequenzumsetzer mit BiCMOS VCO und einem Aufwärtsmischer in InP-Technologie für W-Band-Radaranwendungen.
Das Ziel des Gesamtvorhabens ist es, einen Systemdemonstrator des bildgebenden MIMO-Radar-Sensors mit modularer Systemarchitektur zu realisieren, der flexibel an verschiedenen Punkten am Satelliten angebracht werden könnte. Ein weiteres Ziel ist es, die einzelnen Sender und Empfänger so kompakt zu realisieren, dass auch kleine Satelliten mit mehreren bildgebenden Modulen bestückt werden können. Das besondere des MIMO-Konzeptes hier ist der gleichzeitige Betrieb aller Sender und Empfänger. Die Arbeiten umfassen die InP-DHBT-MMIC-Technologie für vollintegrierte Transceiver Frontends im W-Band. Diese Transceiver-Module sollen mithilfe der Flip-Chip-Technologie zu ultra-kompakten System-in-Package-Subsystemen aufgebaut werden.
Das Ziel des TERAWAY-Projektes ist eine umfassende (Fronthaul und Backhaul) 5G-Infrastruktur aufzubauen für die THz-Datenübertragung zu und von Drohnen und Ballons. Die unbemannten Luftfahrzeuge sollen für eine 5G- bzw. 6G-Konnektivität bei großen Veranstaltungen und Sportevents mit einem sehr hohen lokalen Datenaufkommen sorgen.
Die zunehmenden Datenraten sind eine große gesellschaftliche und technologische Herausforderung. Das ULTRAWAVE-Projekt zielt darauf, eine neuartige Infrastruktur ultra-hoher Kapazität für 6G drahtlose Netzwerke zu entwickeln. Diese Infrastruktur soll bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz und mit Datenraten über 100 Gbps/km2 betrieben werden. Dies soll durch ein neuartiges PmP (point-to-multipoint)-System im D-Band erreicht werden, das von einem schnellen PtP-System (point-to-point) im G-Band gespeist wird. Die Komponenten dieses einzigartigen Kommunikationssystems basieren auf Technologien im Bereich der Vakuumelektronik, III/V-MMIC-Elektronik und Photonik und gehen über den Stand der Technik hinaus.
Im BMBF Projekt T-KOS werden die in der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) verteilten technologischen Kompetenzen für Kommunikation und Sensorik zusammengeführt und durch Kompetenzen des Fraunhofer ITWM im Bereich Signalverarbeitung erweitert. Dies ermöglicht institutsübergreifende Systemlösungen für Terahertz-Kommunikation und -Sensorik, drahtlose Funkübertragung, zerstörungsfreie Prüftechnik, Spektroskopie sowie die berührungslose Inline-Messtechnik als Angebot an die Industrie. Folgender für die Arbeiten am FBH relevanter Meilenstein erreicht werden: industrietaugliches, multistatisches Terahertz-Bildgebungssystem (Zeilenkamera) für die zerstörungsfreie Echtzeitüberwachung von Produktionsprozessen bei 300 GHz. Ziel ist die skalierbare Heterointegration von Siliziumgermanium- (SiGe-) und Indiumphosphid- (InP-) Chips. Bisherige Systeme verwenden teure und diskrete Komponenten, die für Industrieanwendungen ungeeignet und nicht skalierbar sind.