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&nbspGHz 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.

Verschiedene Indiumphosphid DHBT-MMIC-Schaltungen für Kommunikations- und Radaranwendungen

Bedruckte Schaltung mit verschiedenen goldenen Leiterbahnen und baulichen Elementen. Die Leiterbahnen sind klar strukturiert und miteinander verbunden.

Signalerzeugung

Nahaufnahme einer Leiterplatte mit verschiedenen elektronischen Komponenten und Verbindungen. Die Schaltung besteht aus Rechtecken, Drähten und kleinen Pins. — 480 GHz Push-Push-Oszillator

Mikrochip mit mehreren integrierten Schaltkreisen und Verbindungen. Auf der Oberfläche sind goldene und dunkle Elemente sichtbar, die die verschiedenen Komponenten des Chips darstellen. — 150 GHz VCO als Gunndiodeersatz

Das Diagramm zeigt zwei Grafiken. Oben werden Leistung und Effizienz in Bezug auf den Basisstrom auf der horizontalen Achse dargestellt. Unten wird die Frequenz in Gigahertz gezeigt, ebenfalls in Abhängigkeit vom Basisstrom. Beide Grafiken zeigen Trends in ihren jeweiligen Messwerten. — 150 GHz Oszillator Ausgangsleistung und Frequenzhub

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

Leiterplatte mit verschiedenen elektronischen Komponenten. Deutlich sind die Anschlüsse "In", "Out" und "DC" zu erkennen, die die Signalwege und Verbindungen zwischen den Bauteilen darstellen. — 400 GHz Frequenzvervielfacher

Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung sowie der Umwandlungseffizienz in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz. Die Kurven repräsentieren drei Messwerte: Ausgangsleistung, Eingangsleistung und Umwandlungseffizienz über Frequenzen von 320 GHz bis 400 GHz. — Ausgangsleistung und Effizienz des 400 GHz Frequenzvervielfachers

Ultrabreitbandige Frequenzvervielfacher bis in das J-Band bei 300 GHz wurden entworfen und realisiert. Diese liefern eine Spitzenleistung von P_out = 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 P_out > 5 dBm über das ganze Band

Leistungsverstärker

Ausgangsleistung, Verstärkung und Wirkungsgrad für den D-Band-Verstärker mittlerer Leistung

Hochleistungsverstärker im D-Band mit > 18 dBm Ausgangsleistung

Für die MMIC-Leistungsverstärker werden Ausgangsleistungen von P_out> 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

Zwei komplexe Schaltkreise auf einem Mikrochip. Auf der linken Seite sind zahlreiche Verbindungen und Komponenten zu sehen, während die rechte Seite Ansätze von goldenen Platinen und Schaltkreisen zeigt. — InP-on-BiCMOS mit BiCMOS VCO und InP 4x Frequenzvervielfacher bei 330 GHz

Detaillierte Leiterplatte mit verschiedenen integrierten Schaltungen und Leiterbahnen. Mehrere Mikrochip-ähnliche Strukturen sind farblich hervorgehoben. — InP-on-BiCMOS mit 42 GHz PLL und InP-Verdoppler mit W-Band-Aufwärtswandler

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 P_out ~ -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.

MIMIRAWE II: Kompakte skalierbare MIMO-Radar-Module für Millimeter-Wellen-Bildgebung

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.

TERAWAY - Terahertz technology for ultra-broadband and ultra-wideband operation of backhaul and fronthaul links in systems with SDN management of network and radio resources

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.

GreenICT

Drahtlose Kommunikationstechnik hat eine besondere Bedeutung beim Fortschreiten der Digitalisierung in industriellem Umfeld und Gesellschaft. Um diese Entwicklung auf eine ressourcenschonende und energiesparende Basis zu stellen, ist es notwendig, die ökologische Auswirkung der Telekommunikations-Infrastruktur von drahtlosen Funknetzen und optischen Aggregations- und Transportnetzen zu analysieren. Energieeinsparung bei der Infrastruktur der mobilen Kommunikation soll die nationalen und europäischen Agenden wie z.B. den Aktionsplan des BMBF »Natürlich. Digital. Nachhaltig« und den »European Green Deal« der EU-Kommission verwirklichen. Das Ziel des Projektes GreenICT ist zum einen der deutschen und europäischen Industrie eine Entwicklungs-, Test- und Referenzumgebung bereitzustellen und einen energie- und ressourcenschonenden, technisch zuverlässigen und datenseitig sicheren Betrieb künftiger Telekommunikations- und industrieller Netzinfrastrukturen sicherzustellen.

Die Entwicklung des Gesamtsystems erfolgt in einzelnen Funktionsgruppen eines Kommunikationsnetzes und umfasst die gesamte Kette der Systembausteine von den Hochfrequenzkomponenten in der Funk- und Basisstation über die verschiedenen Verbindungsnetze bis zur Protokollebene. Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf den Front-End-Komponenten und -Modulen.

T-KOS - Terahertz-Technologien für Kommunikation und Sensorik

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.