A Fujitsu új GaN HEMT-alapú teljesítményerősítőjével olyan régiókban is megvalósítható a nagy kapacitású vezeték nélküli kommunikáció, ahol nem lehet optikai szálas kábeleket fektetni. A megoldás ezenkívül esőben és a milliméteres hullámot gyengítő egyéb körülmények között is jó minőségű kommunikációt garantál.
Háttér
Az internetes kommunikáció és mobiltelefonos hálózatok bővülése nyomán megnövekedett az igény a nagyobb sávszélességek iránt. Erre reagálva a világon mindenütt optikai szálas kábelekkel, nagy kapacitású trönkvonalakból álló rendszereket építenek. Mivel ez a jelátvitel szempontjából kedvezőtlen domborzatú térségekben problémás, nagy az érdeklődés az optikai szálas kábelekével megegyező, 10 Gib/s maximális adatátviteli sebességre képes nagy sávszélességű vezeték nélküli trönkvonalak iránt. Ez a technológia alkalmas lehet a digitális szakadék áthidalására4.
A milliméteres hullámhossztartomány W-sávja 10 Gib/s átviteli sebességig jól használható vezeték nélküli kommunikációra. Az átviteli egységben található teljesítményerősítő fontos szerepet játszik abban, hogy a milliméteres hullámhossztartományban keletkező jel elérje az átvitelhez szükséges erősséget.
Eddig a Fujitsu és a Fujitsu Laboratories 350 mW teljesítményt tudott elérni GaN-alapú HEMT tranzisztorokra épülő teljesítményerősítőkkel. A milliméteres hullámhossztartomány W-sávjában azonban jelentősen gyengülnek a jelek a légköri elnyelés és a csapadék miatt, ezért olyan teljesítményerősítőkre van szükség, amelyek néhánytól akár többször tíz kilométeres távolságig képesek stabilan továbbítani a jelet.
Technológiai kihívások
A teljesítményerősítőn belül úgy történik az áramelosztás, hogy az elosztó áramkörben a bemeneti jel több párhuzamos tranzisztor között osztódik szét. Az egyes tranzisztorok által felerősített jelet az egyesítő áramkör egyesíti, ami lehetővé teszi nagy kimeneti teljesítmény elérését 70 GHz feletti frekvenciaszinten azonban a magas frekvenciájú komplex jeleloszlás interferenciája miatt a jel gyengül az elosztó és az egyesítő áramkörben, ami megakadályozza a kívánt teljesítmény elérését. Emiatt speciális elosztó és egyesítő modellt kellett építeni kimondottan a milliméteres hullámhossztartományban történő használatra, és olyan megoldást kellett kidolgozni, amely a komplex jeleloszlást figyelembe véve támogatja a kívánt teljesítmény elérését.
Az új technológia
1) A GaN HEMT-tranzisztor passzivációs rétegének optimalizálása
Miután elemezte, miért távoznak el az elektronok az elektroncsatorna-rétegből és halmozódnak fel a passzivációs rétegben, a Fujitsu a passzivációs rétegben használt szilícium-nitrid (SiN) elégtelen kristályosodására vezette vissza a problémát. A réteg SiN-össztételének és kristályszerkezetének továbbfejlesztésével a Fujitsu olyan passzivációs réteget hozott létre, amelyben minimális mértékben jelentkeztek kristályosodási hiányosságok, tehát az elektronok nehezebben halmozódtak fel. Így a technológia több mint kétszeresére erősítette a magas frekvenciájú áramot a korábbi technológiához képest.
2) Elosztó és egyesítő modell kidolgozása elektromágneses elemzés útján
A nagyfrekvenciájú jel komplex jeleloszlásának az elosztó és az egyesítő áramkörök fizikai tulajdonságait figyelembe véve végzett elektromágneses elemzése alapján a Fujitsu sikeresen megtervezte azt a nagy pontosságú áramkört, amely csökkenti a jel gyengülését a két áramkörben. Így a Fujitsu mintegy 15 százalékkal tudta növelni a megoldás pontosságát.
Eredmények
A fenti technológiákat felhasználva elkészült a milliméteres hullámhossztartomány W-sávjában működő vezeték nélküli eszközökben használható új teljesítményerősítő. Az új erősítő maximális kimeneti teljesítménye 1,3 watt. A GaN HEMT-alapú teljesítményerősítők között jelenleg ez a legmagasabb teljesítmény a világon - ebben a frekvenciasávban, egyetlen integrált áramkör használatával.
Az új erősítő átviteli teljesítménye tizenhatszorosa a korábbi gallium-arzenidből (GaAs) készült erősítőkének. Ezt a Fujitsu által tavaly kifejlesztett GaN HEMT vevőoldali teljesítményerősítővel együtt alkalmazva várhatóan mintegy hatszorosára nő a hatótávolság a GaAS-alapú adóvevőkhöz képes. Ez pedig még olyan helyzetekben is jó minőségű kommunikációt biztosít, amikor csapadék vagy más tényezők miatt gyengül a jelerősség.
A Fujitsu és a Fujitsu Laboratories tovább dolgozik az új GaN HEMT-alapú teljesítményerősítő teljesítményének növelésén és frekvenciaspektrumának kibővítésén.
1 Gallium-nitrid (GaN): Olyan nagy sávréssel rendelkező félvezető anyag, amely magas hőmérsékleten is stabilan és nagyobb letörési feszültséggel működik, mint a korábban használt anyagokra (pl. szilícium- vagy gallium-arzenid) épülő félvezető technológiák.
2 High Electronic Mobility Transistor (HEMT): Olyan térvezérlésű tranzisztor, amely a különféle félvezető-anyagok közötti határon található elektronréteg mozgását használja ki, ami viszonylag gyors a hagyományos félvezetőkön belüli elektronmozgáshoz képest. A Fujitsu az 1980-as években fejlesztette ki a megoldást, amelyre a mai ICT-infrastruktúrák (pl. műholdas adóvevők, vezeték nélküli eszközök, GPS-alapú navigációs rendszerek és szélessávú vezeték nélküli hálózati rendszerek) jelentős része épül.
3 W-sáv: A 75-től 110 GHz-ig terjedő rádiósáv neve. A nagy sebességű vezeték nélküli kommunikációnál, gépkocsiradaroknál, képérzékelőknél stb. használják.
4 Digitális szakadék: Az infokommunikációs technológiával jól és kevésbé jól ellátott lakosság illetve régiók közötti gazdasági különbségre utal.
