100-Gb/s SiGe C hips für das 6G Mobilfunknetz der Zukunft

Conference: MikroSystemTechnik 2019 - Kongress
10/28/2019 - 10/30/2019 at Berlin, Deutschland

Proceedings: MikroSystemTechnik Kongress 2019

Pages: 2Language: germanTyp: PDF

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Authors:
Pfeiffer, Ullrich R.; Rodríguez-Vázquez, Pedro; Grzyb, Janusz (IHCT, Bergische Universität Wuppertal, Wuppertal 42119, Deutschland)
Heinemann, Bernd (IHP - Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik, Frankfurt (Oder) 15236, Deutschland)

Abstract:
BigData, Internet Internet-of-Things (IoT), Industry 4.0 – diese Stichworte stehen in engem Zusammenhang mit dem technologischen Fortschritt unserer Gesellschaft. Dabei ermöglichen neue Technologien völlig neue Anwendungen mit stetig wachsendem Datenaufkommen. Die zentrale Herausforderung dabei ist die Bewältigung der Daten in Echtzeit. Technologien wie 4G (LTE) oder WiFi erreichen Übertragungsraten von maximal 10 Gigabit/Sekunde (Gb/s). Ab 2020 soll das 5G-Netz mit maximalen Datenraten von bis zu 20 Gb/s im 26-GHz-Band (24, 25-27,5 GHz) in Deutschland verfügbar sein. Wie mögliche 6G-Kommunikationssysteme im Jahr 2030 aussehen könnten, wird derzeit intensiv diskutiert. Aufgrund eingeschränkter Kapazitäten in den vorhandenen Mobilfunkbändern wird man auf höhere Trägerfrequenzen ausweichen müssen. Frequenzbänder im Millimeterwellen- und Terahertz-Bereich besitzen ein hohes Bandbreitenpotential, welches mit Hilfe neuster Silizium-Technologien erschlossen werden kann. Im Vergleich zu optischen Systemen und III-V Halbleiter-Technologien steht bei der Realisierung in einer Silizium-Technologie die geringeren Fertigungskosten und der kompakte Systemansatz im Vordergrund. In diesem Beitrag präsentieren wir erste Prototypen für die 6G Mobilfunkkommunikation mit Trägerfrequenzen zwischen 220 und 255 GHz. Das in einer SiGe HBT Technologie implementierte Chip-Sets ermöglicht Reichweiten von 1-10 Meter und Datenraten von 20-100 Gb/s. Das Sende- und Empfangsmodul (TX/RX RX) wurde in einer 0.13-µm SiGe HBT Technologie mit einem ft/fmax von 350/550 GHz implementiert und basiert auf dem Prinzip der IQ-Modulation (siehe Abb. 1 und 2). Beide Module werden von einem Referenzoszillator gefolgt von einer x16-Vervielfacherkette und einem breitbandigen Quadraturkoppler getrieben. Die Impedanzanpassung beider Mischer erfolgt durch zwei Hochgeschwindigkeits-Pufferverstärker. Der TX-Chip ist zusätzlich mit einem 4-Stufigen Leistungsverstärker ausgestattet. Das RF-Signal wird durch On-Chip Ringantennen durch das Substrat in eine Silizium-Linse gekoppelt. Hierdurch wird das HF-Signal gebündelt und die Übertragungsverluste in den Freiraum minimiert. Die Chip-Aufbautechnik nutzt HF-Leiterplatten für die Zuführung der Spannungsversorgungen und der Zwischenfrequenz (IF). Für die Kompensation von Bonddraht-Induktivitäten wurden On-board Anpassungsstrukturen eingesetzt. Wird der TX-Chip im linearen Bereich betrieben, benötigt dieser 960 mW und zeigt zugleich eine Ausgangsleitung 5 dBm und eine Bandbreite von 28 GHz. Der RX-Chip weist ein Konversionsgewinn (CG ) von 8 dB, eine SSB Noise-Figure (NF) von 14 dB, eine 3-dB Bandbreite (BW) von 26 GHz bei einem Leistungsverbrauch von 450 m W auf. Die Qualität der Datenübertragung zwischen Sende- und Empfangsmodul wurde in einer Distanz von einem Meter gemessen (siehe Abb. 3). Dafür kamen zwei Wellenformgeneratoren (AWG70001A), zwei Echzeit-Oszilloskope (DPO77002SX) und eine Vektor-Signalanalyse-Software (SignalVu) zum Einsatz. Mithilfe eines Root-raised Cosine Filters (Roll-off Faktor zwischen 0.2 und 0.7) im Basisband konnten LO-Interferenzen minimiert werden. Die Signalfilterung am Empfänger wurde durch einen adaptiven FIR-Equalizer mit einem Filterkoeffizienten von 17 erreicht. Die Messergebnisse der Funkstrecke sind in Abbildung 4 und 5 gezeigt. Die gemessene maximale Datenrate bei 230 GHz und 255 GHz belaufen sich auf 100 Gb/s (EVM von 17 %) und 40 Gb/s. Es wurde gezeigt, dass SiGe-Technologien eine kostengünstige und kompakte Alternative für 6G-Anwendungen nach dem IEEE 802.15.3d Standard darstellen.