Galliumnitride voor 5G

Data radiografisch overbrengen is betrouwbaar en betaalbaar. Maar blijft dat zo nu het datavolume exponentieel groeit? 5G en galliumnitride (GaN) vermogensversterkers moeten daarvoor zorgen.

De groei van het datavolume van gebruikers groeit niet alleen door het alsmaar stijgende aantal smart phones, maar ook door trends als Car-to-Car (C2C) en Machine-to-Machine (M2M) communicatie. De nieuwe G5 standaard voor mobiele telefonie moet vanaf 2020 voor een snelle, energetisch efficiënte data zorgen. Het Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) bouwt hiervoor nieuwe hoogfrequent vermogensversterker uit galliumnitride (GaN).

Naar schatting zijn er wereldwijd nu minstens acht miljard apparaten die radiografisch kunnen communiceren. De vraag is of het gemak van internet bij een groeiend aantal gebruikers en groeiend datavolume zo gemakkelijk zal blijven. Tot nu zijn het vooral mensen die draadloos met elkaar communiceren. In de toekomst komen daar auto’s, apparaten en productielijnen bij.

Voor Industrie 4.0 of automatisch rijden zijn real-time radiografische communicatie en datasnelheden van 10 Gb/s nodig. 4G-LTE, de huidige norm voor mobiele communicatie, is echter voor maximaal 0,3 Gb/s ontworpen en niet geschikt voor real-time. Momenteel wordt met gangbare maximale snelheden van 0,05 Mb/s op internet gesurft.

Daarom wordt er nu gewerkt aan de 5G standaard. Deze moet het mogelijk maken live-video’s in hoge kwaliteit te versturen.

Hogere frequenties

Nieuwe vermogensversterkers moeten zorgen voor de noodzakelijke radiofrequenties. Voor 5G worden op de eerste plaats extra radiofrequenties tot 6 GHz vrijgemaakt. Voor 4G-LTE houdt het tot nu toe bij 2,7 GHz op. Hogere frequenties betekenen snellere dataoverdracht, maar ook tot lager beschikbaar vermogen voor de zenders.

De wetenschappers van Fraunhofer-IAF ontwikkelen een microchip van slechts enkele vierkante millimeters uit galliumnitride. Door zijn speciale kristalstructuur kunnen ook bij hoge frequenties dezelfde spanningen worden aangelegd, lees: hogere vermogens worden opgewekt. In het EU-project Flex5Gware test het instituut al prototypes tot frequenties van 6 GHz.

Met 5G moeten in vergelijking met nu 200 keer meer bits met vergelijkbare energie worden verstuurd. Alleen al uit oogpunt van duurzaamheid moet het energetisch rendement van mobiele radiografische communicatie dus duidelijk stijgen. Momenteel kunnen basisstations alleen met hoge hoeveelheden energie hoge datasnelheden overbrengen. Ze sturen de radiogolven namelijk niet gericht de lucht in.

Met nieuwe stuurbare antennes en op GaN gebaseerde vermogensversterkers bereikt informatie daarentegen doelgericht de ontvanger. Dit bespaart een grote hoeveelheid energie. Met de technologie van de onderzoekers uit Freiburg richten de antennes van het basisstation zich elektronisch direct op de ontvanger.

Economische aspecten

De grondstoffen voor GaN zijn in grote hoeveelheden beschikbaar. Stikstof kan uit de lucht worden gewonnen en gallium is een afvalproduct bij de metaalverwerking. Het succes van GaN in blauwe en witte LED’s heeft er toe bijgedragen dat de productie van GaN steeds goedkoper wordt. Intussen zijn de energiebesparingen tijdens gebruik al langer dan de productiekosten van het in vergelijking met silicium nog dure GaN.