HF-Schalter als Herzstück für 5G-Systeme der neuen Generation

In Zeiten massiver Datenerfassung und -analyse – von IoT-Geräten in intelligenten Umgebungen (Städte, Industrie, Automobilbau, Medizin usw.) bis hin zu Smartphones, die heute problemlos HD-Videos streamen können – müssen Netzwerke schnell auf neuere Standards umgestellt werden, um Schritt zu halten. Möglich wird dies durch 5G, das eine deutlich bessere Kapazität bietet als alle bisher verwendeten Mobilfunkstandards.

Allerdings ist 5G nicht perfekt, und die damit verbundenen Technologien befinden sich noch in der Entwicklung. 5G-Netze neigen zu Überlastungen, langsameren Geschwindigkeiten und ungleichmäßiger Leistung. Zudem kann eine Überhitzung der Systeme aufgrund der höheren Komponentendichte die Netzwerkleistung beeinträchtigen, da diese mehr Strom verbrauchen und somit mehr Wärme erzeugen.

Was macht 5G zur Zukunft des Mobilfunks?

5G gilt als Schlüsseltechnologie in vielen Bereichen. Größere Datenmengen bei höheren Übertragungsgeschwindigkeiten sind der Grund. Wie funktioniert die Technologie? Wie schnell ist sie? Die Antwort auf diese und andere Fragen hier.

Voraussichtlich wird die 5G-Technologie durch eine sechste Generation der Mobilfunktechnologie („6G“) abgelöst, die bessere Signalgeschwindigkeiten bei geringeren Latenzen bieten wird. Technologische Fortschritte werden dazu beitragen, die benötigte Hardware (Komponenten, Antennen und Systeme) zu verkleinern, eine höhere Energieeffizienz zu erzielen, umweltfreundlicher zu sein, ein besseres Wärmemanagement von dicht gepackten Systemen zu ermöglichen und Infrastrukturengpässe zu vermeiden.

Bedeutung der Switch-Technologie im Mobilfunk

Im Mittelpunkt all dieser Entwicklungen – ob 5G oder 6G – stehen Switches. Sie leiten Signale weiter und ermöglichen eine schnelle Kommunikation, indem sie Signale und Schaltvorgänge zwischen verschiedenen Frequenzbändern nahtlos verarbeiten. Beispielsweise nutzen 5G-Netze eine Reihe von Frequenzbändern: das Low-Band (unter 1 GHz), das Mid-Band (1–10 GHz) und das High-Band (über 10 GHz), das in den unteren Bereich des Millimeterwellenbereichs hineinreicht. Größere Bandbreiten und höhere Frequenzspektren erfordern Systeme, Antennen und Komponenten, die klein, schnell und leistungsfähiger sind, dabei aber weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen. Diese Anforderungen gelten auch für die Switches selbst. Von Switches für 5G-Setups wird darüber hinaus erwartet, dass sie eine Einfügedämpfung von weniger als 1 dB im Basis-Millimeterwellen-Spektrum aufweisen und diese minimale Dämpfung über den gesamten Spektralbereich bis unter 1 GHz beibehalten. Über den gesamten Spektralbereich hinweg ist eine Linearität von besser als 90 dBm entscheidend, um Signalverzerrungen zu minimieren und höhere Datenraten zu ermöglichen. Ebenfalls wichtig ist eine Isolation von über 30 dB bei den höheren Frequenzen, um Signalübersprechen und -verluste zu minimieren. Die Schaltzeiten für vernetzte Geräte sollten unter 1 ms liegen und auch bei mehr als einer Milliarde Schaltvorgängen zuverlässig funktionieren.

Mit 6G zu einer nachhaltigeren Zukunft

Die nächste Generation der Wireless-Technologie, 6G, soll nicht nur die Möglichkeiten von 5G erweitern und eine neue Ära des kabellosen Internets einläuten, sondern auch einen positiven ökologischen und sozialen Wandel bewirken.

Einsatz klassischer Relais in Kommunikationsnetzen

In kabelgebundenen und kabellosen Kommunikationsnetzen sorgen Switches für die Verbindung, Weiterleitung und Neukonfiguration der Netzwerke. Diese Funktion wurde traditionell von Relais, wie beispielsweise elektromechanischen (EMRs) und Solid-State-Relais (SSRs), übernommen. In 5G-Netzen sind diese weit verbreitet, jedoch in unterschiedlichen Rollen und mit unterschiedlichen Spezifikationen.

EMRs kommen in der Regel dort zum Einsatz, wo hohe Leistungssteuerung, geringe Verluste und hohe Linearität entscheidende Parameter sind. SSRs hingegen werden dort eingesetzt, wo hohe Schaltgeschwindigkeiten für die Weiterleitung von Signalen mit geringer Leistung entscheidend sind.

Sowohl die herkömmliche EMR- als auch die SSR-Technologie sind für bestehende Netzwerke geeignet. Der Wunsch nach mehr Daten und schnellerer Übertragung verlangt jedoch nach den Vorteilen beider Technologien ohne deren Nachteile. Zukünftige Netzwerke benötigen schnelle Schaltgeschwindigkeiten im Sub-Millisekundenbereich, eine Einfügungsdämpfung von unter 1 dB zur Minimierung der Verlustwärme sowie einen IP3-Wert von >90 dBm zur Erzielung höherer Datenraten – und all dies bei einer hohen Spektralbreite. Herkömmliche Technologien können diese Anforderungen nicht in einem einzigen Schalter vereinen.

In der Branche setzt sich daher schnell die Erkenntnis durch, dass diese stromhungrigen, sperrigen und verlustbehafteten Schalter durch einen spezialisierten neuen Ansatz für die Signalumschaltung ersetzt werden müssen. Daher wächst das Interesse an modernen HF-Schaltern, die aller Voraussicht nach eine Schlüsselrolle im Signalmanagement der nächsten Generation spielen werden, um die Bandbreitenanforderungen von 5G- und 6G-Netzwerken zu erfüllen.

HF-Switching – die aktuelle Alternative

HF-Switches für 5G sind für die Steuerung der Weiterleitung von Hochfrequenzsignalen zwischen Komponenten und Antennen unerlässlich. Sie verwalten komplexe Signalwege und unterstützen gleichzeitig einen breiten Frequenzbereich in Mobilgeräten, Basisstationen und Multi-Antennen-Konfigurationen. Durch die effiziente Steuerung des Signalflusses gewährleisten sie schnelle und zuverlässige Verbindungen. Fortschrittliche HF-Schalter bieten höhere Geschwindigkeiten, bessere Bandbreiten und eine verbesserte Energieeffizienz in 5G-Geräten und verlängern somit deren Akkulaufzeit.

Aktive Biasing-Lösung für pHEMT-Leistungsverstärker

Verarmungs-Verstärker auf GaAs-Basis kommen in Hochfrequenz-Anwendungen in großem Umfang zum Einsatz. Zu beachten ist jedoch, dass diese Bauelemente eine negative Versorgungsspannung und ein sorgfältiges Sequencing benötigen.

Schnelles Schalten ist beim 5G-Beamforming und der dynamischen Spektrumszuweisung unerlässlich für nahtlose Übergaben, adaptive Strahlsteuerung und Load Balancing – vor allem, wenn sich Geräte schnell zwischen Zellen oder Frequenzbändern bewegen. Ebenso erfordert die zunehmende Komplexität von 5G-Setups und Antennen kleinere, effizientere Schalter. Auch hier erfüllen HF-Switches die Anforderungen. Viele moderne HF-Switches nutzen Halbleiter- und mikroelektromechanische Technologien, darunter Silicon-on-Insulator (SOI) und mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Das Ziel beider Technologien besteht darin, die Vorteile von EMRs und einigen SSRs zu kombinieren, da sie einen Betrieb mit höheren Frequenzen, geringere Einfügungsverluste, eine bessere Linearität und die für die Rekonfigurierbarkeit erforderliche Geschwindigkeit ermöglichen.

Bei der Bewertung der kombinierten Leistungskennzahlen schneidet die neue Klasse von HF-MEMS-Geräten am besten ab. Die neueste Generation von HF-MEMS-Schaltern kann 25 W HF-Leistung mit einer Einfügungsdämpfung von etwa 1 dB bis zu 26 GHz verarbeiten. Diese Performance vereint mit einer Isolation von besser als 40 dB bei 6 GHz, einer Gleichstromleckage im Pikoamperebereich, Schaltgeschwindigkeiten von wenigen Mikrosekunden und einen rein ohmschen Pfad, der eine IP3 von besser als 95 dBm für überlegene Linearität liefert. Damit werden die grundlegenden Bauteileigenschaften in einem Miniatur-Chip-Formfaktor über das gesamte Frequenzspektrum hinweg bereitgestellt, wobei der Betrieb nur wenige Mikrowatt Leistung erfordert.

Neue Technologie

Das US-amerikanische Unternehmen Menlo Micro hat mit der proprietären HF-Schaltertechnologie Ideal Switch eine Lösung entwickelt, um den Anforderungen der modernen Kommunikation und den Herausforderungen von HF-Schaltern gerecht zu werden. Menlo Micro kombiniert die besten Eigenschaften von elektromechanischen und Halbleiterschaltern zu einer patentierten Innovation und erzielt so  Leistungsfähigkeit und Performance in sehr kleinen Gehäusen, die mit proprietären Techniken und Materialien hergestellt werden. Die Ideal-Switch-Produkte nutzen eine Kombination aus Halbleitertechnologie und aktuellem Design.

Das Ergebnis sind höhere Effizienz, geringere Größe und längere Lebensdauer. Davon profitiert eine breite Palette von Produkten – nicht nur in Kommunikationsanlagen, sondern auch in den Bereichen intelligente Energie, Hausautomation, industrielles Internet der Dinge, Test und Messung, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Unterhaltungselektronik und Medizin.

Fazit

In Bezug auf 5G und die neue Ära der Kommunikation und Konnektivität bieten HF-Schalter eine Flexibilität, Geschwindigkeit und Leistung, die andere derzeit auf dem Markt erhältliche Schalttechnologien nicht bieten können. Im Herzen von 5G- und bald auch 6G-Systemen sorgen sie für einen nahtlosen Übergang zwischen den Frequenzbändern und verarbeiten Signale in dynamischen Antennenarrays von Massive-MIMO-Konfigurationen (MA-MIMO) schnell und effizient. Für den erfolgreichen Betrieb all dieser Systeme wird die HF-Schalttechnologie in den kommenden Jahren eine entscheidende Rolle spielen und die Zukunft der Kommunikation prägen. (bs)