Le comunicazioni mobili 6G dovrebbero aprire la strada ad applicazioni innovative come intelligenza artificiale, realtà virtuale e Internet delle cose entro il 2030. Ciò richiederà una capacità di prestazioni molto più elevata rispetto a quella dell'attuale standard mobile 5G, coinvolgendo nuove soluzioni hardware. All'EuMW 2022, Fraunhofer IAF presenterà quindi un modulo trasmettitore basato su GaN ad alta efficienza energetica per le gamme di frequenza rilevanti per il 6G superiori a 70 GHz, che è stato sviluppato in collaborazione con Fraunhofer HHI. Le elevate prestazioni del modulo sono già state dimostrate al Fraunhofer HHI.

Auto a guida autonoma, telemedicina, fabbriche automatizzate:applicazioni future promettenti come queste nei trasporti, nella sanità e nell'industria dipendono da tecnologie dell'informazione e delle comunicazioni che superano le prestazioni dell'attuale standard di comunicazione mobile di quinta generazione (5G). Le comunicazioni mobili 6G, che dovrebbero essere introdotte nel 2030, promettono il networking ad alta velocità necessario per i volumi di dati richiesti in futuro, con velocità di trasmissione dati superiori a 1 Tbit/s e latenze fino a 100 µs.

Il Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF e il Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute, HHI stanno lavorando sui nuovi componenti ad alta frequenza necessari per le comunicazioni mobili 6G dal 2019 nell'ambito del progetto KONFEKT ("Components for 6G Communications ").

I ricercatori hanno sviluppato moduli trasmettitori basati sul nitruro di gallio a semiconduttore di potenza (GaN), con cui le gamme di frequenza intorno a 80 GHz (banda E) e 140 GHz (banda D) possono essere sfruttate per la prima volta con questa tecnologia. L'innovativo modulo trasmettitore in banda E, con le sue elevate prestazioni già testate con successo da Fraunhofer HHI, sarà presentato al pubblico esperto alla European Microwave Week (EuMW) a Milano, in Italia, dal 25 al 30 settembre 2022.

Hardware innovativo grazie ai semiconduttori composti a banda larga e ai processi SLM

"Il 6G richiede nuovi tipi di hardware a causa delle elevate esigenze di prestazioni ed efficienza", spiega il dott. Michael Mikulla del Fraunhofer IAF, che coordina il progetto KONFEKT. "I componenti allo stato attuale dell'arte stanno raggiungendo i loro limiti. Ciò vale in particolare per la tecnologia dei semiconduttori sottostante e la tecnologia di assemblaggio e antenna. Per ottenere risultati migliori in termini di potenza di uscita, larghezza di banda ed efficienza energetica, utilizziamo un integrato monolitico basato su GaN circuiti a microonde (MMIC) per il nostro modulo invece dei circuiti al silicio attualmente in uso.Come semiconduttore a banda larga, GaN può elaborare tensioni più elevate e allo stesso tempo consente componenti più compatti e con perdite significativamente inferiori.Inoltre, stiamo eliminando strutture a montaggio superficiale e di imballaggio planare per progettare un'architettura beamforming a basse perdite con guide d'onda e circuiti paralleli intrinseci."

Fraunhofer HHI è anche fortemente coinvolto nella valutazione delle guide d'onda stampate in 3D. Diversi componenti, inclusi power splitter, antenne e alimentatori di antenne, sono stati progettati, fabbricati e caratterizzati utilizzando il processo di fusione laser selettiva (SLM). Questo processo consente inoltre di produrre in modo rapido ed economico componenti che non possono essere prodotti con metodi convenzionali, aprendo la strada allo sviluppo della tecnologia 6G.

"Grazie a queste innovazioni tecniche, i Fraunhofer Institutes IAF e HHI stanno portando la Germania e l'Europa a compiere un significativo passo avanti verso le comunicazioni mobili del futuro, apportando allo stesso tempo un importante contributo alla sovranità tecnologica nazionale", afferma Mikulla.

Moduli trasmettitori ad alte prestazioni per le future bande di frequenza 6G dimostrati con successo

Il modulo E-band raggiunge una potenza di uscita lineare di 1 W nella gamma di frequenza da 81 GHz a 86 GHz accoppiando la potenza di trasmissione di quattro moduli singoli con componenti di guida d'onda a bassissima perdita. Ciò lo rende adatto per collegamenti dati point-to-point a banda larga su lunghe distanze, che è una funzionalità chiave per le future architetture 6G.

Vari esperimenti di trasmissione condotti da Fraunhofer HHI hanno già dimostrato le prestazioni dei componenti sviluppati congiuntamente:In diversi scenari esterni, i segnali corrispondenti alle attuali specifiche di sviluppo del 5G (5G-NR Release 16 dell'organizzazione globale di standardizzazione delle comunicazioni mobili 3GPP) sono stati trasmessi a 85 GHz con una larghezza di banda di 400 MHz.

Con una chiara linea di vista, i dati sono stati trasmessi con successo su una distanza di 600 metri in modulazione di ampiezza in quadratura a 64 simboli (64-QAM), garantendo un'elevata efficienza della larghezza di banda di 6 bit/s/Hz. L'Error Vector Magnitude (EVM) del segnale ricevuto era -24,43 dB, ben al di sotto del limite 3GPP di -20,92 dB. Con la linea di vista ostruita da alberi e veicoli parcheggiati, i dati modulati 16QAM potrebbero essere trasmessi con successo su una distanza di 150 metri. Anche con una linea visiva completamente bloccata tra trasmettitore e ricevitore, era comunque possibile trasmettere e ricevere con successo dati modulati a quattro fasi (Quaternary Phase-Shift Keying, QPSK) con un'efficienza di 2 bit/s/Hz. L'alto rapporto segnale/rumore, a volte superiore a 20 dB in tutti gli scenari, è notevole, soprattutto considerando la gamma di frequenze, ed è reso possibile solo dalle elevate prestazioni dei componenti sviluppati.

In un secondo approccio, è stato sviluppato un modulo trasmettitore per la gamma di frequenza intorno a 140 GHz, che combina una potenza di uscita di oltre 100 mW con una larghezza di banda estrema di 20 GHz. I test con questo modulo sono ancora in sospeso. Entrambi i moduli trasmettitori sono componenti ideali per lo sviluppo e il test di futuri sistemi 6G nella gamma di frequenza terahertz. + Esplora ulteriormente

Il satellite trasmette per la prima volta segnali di prova in banda Q e W