Hochfrequenz-Module für zukünftige Generationen von Kommunikationssystemen

Im Verbundprojekt REFERENCE arbeiteten 16 europäische Partner gemeinsam daran, neuartige Hochfrequenz-Silizium-auf-Isolator-Technologien (RF-SOI und FD-SOI) verstärkt bei der Entwicklung von HF-Front-End-Modulen (FEMs) für Kommunikationssysteme einzusetzen. Beide Halbleitertechnologien bieten großes Potenzial hinsichtlich Leistungs-, Kosten- und Integrationsanforderungen der Industrie für Elektronikmodule für drahtlose Kommunikationssysteme. Ziel waren neue Anwendungen in den Bereichen Mobilfunk, Internet der Dinge, Automobil und Luftfahrt. Das Projekt wurde Ende 2019 erfolgreich abgeschlossen.

In den vergangenen vier Jahren konzentrierte sich das REFERENCE-Projekt auf die Entwicklung innovativer Ansätze, um die zu diesem Zeitpunkt ungelösten Anforderungen für die 4G+-Kommunikation mit hohen Datenraten zu erfüllen und den Weg für die 5G-Kommunikation der nächsten Generation durch Substratentwicklung und Optimierung des Designs zu ebnen. Die Arbeitspakete umfassten die Bereiche Materialien, technische Substrate, Prozesse, Design, Metrologie und Systemintegration.

 

Fraunhofer EMFT als Koordinatorin für Design und Devices

Mit der Fraunhofer EMFT in München, dem Fraunhofer IIS in Erlangen und dem Fraunhofer IZM in Berlin waren drei Institute an dem Vorhaben beteiligt. Die Fraunhofer EMFT koordinierte das Arbeitspakets "Design and Devices“. Darüber hinaus trug das Forschungsteam zu einer Demonstration integrierter Schaltungen (Frequenzsynthese, Leistungsverstärker und Software-defined Radio Base-Band) bei. Mit diesen Schaltungen soll ein Wireless Avionics Intra-Communication (WAIC) Chipsatz realisiert werden, er im dedizierten 4,2-4,4 GHz Frequenzband arbeitet. Die Arbeiten sind Teil einer mehrjährigen gemeinsamen Anstrengung verschiedener Partnerinnen und Partnern zur Realisierung des WAIC-Standards in Flugzeugen. Damit soll sowohl die Sicherheit erhöht und gleichzeitig das Gewicht reduziert und auf diese Weise Treibstoff gespart werden. Das Fraunhofer IZM trug gemeinsam mit CEA-LETI und AMKOR zu einer fortschrittlichen Gehäuseentwicklung für 5G Front-End Module mit integriertem Leistungsverstärker, rauscharmem Verstärker und RF-Schalter bei. Das Fraunhofer IIS demonstrierte eine über den Stand der Technik hinausgehende Entwicklung eines Wake-Up-Frontends, das auf der fortschrittlichen 22FDX-Technologie von Globalfoundries basiert und Anwendungsfälle ermöglicht, die eine extrem niedrige Leistungsaufnahme erfordern.

© Fraunofer EMFT / Bernd Müller
4,3 GHz fractional-N Phasenregelschleifen (PLL)-Frequenz-Synthesizer-Chip mit großem Tuning-Bereich auf der Evaluierungs-Leiterplatte.

Im REFERENCE-Projekt bündelte ein starkes und hochkarätiges Konsortium mit 16 Partnerorganisationen aus 5 Ländern, darunter sechs führende Industrieunternehmen aus den Bereichen Werkstoffe, Gießerei und Luftfahrt, vier Unternehmen für Halbleiterfertigungsanlagen (KMU) und ein Netzwerk aus öffentlichen Forschungsinstituten und akademischen Einrichtungen von Weltrang.

Zum Abschluss des Projekts wurden im Rahmen der 17. IEEE New Circuits and Systems Conference (NEWCAS) in München mehrere Sondersitzungen und Keynote-Vorträge organisiert, um die wissenschaftliche und industrielle Gemeinschaft zusammenzubringen und alle Aspekte rund um die HF- und FD-SOI-Technologie und ihre Bedeutung für Europa auf den Tisch zu bringen.

Das Thema HF-Designs wird seit Juni 2020 im Rahmen des Verbundprojekts BEYOND5 (ECSEL JU) fortgesetzt.