Digitale Galliumnitrid-Verstärker kennen kein Funkloch

×

Funkantennen sind das A und O einer mobilen Kommunikation – mit Einschränkungen. Nutzen zu viele eine Antenne, bricht die Verbindung oftmals ab. In der Regel liegt das an Verstärkern, die die Informationen noch analog verarbeiten. Kleine digitale Leistungsverstärker sollen das künftig verhindern.

Zwischen Funkloch und überlasteten mobilen Netzen. Die Grenzerfahrungen von Surfern und Nutzern von Smartphones werden selbst in Großstädten wie Berlin gemacht, wo Funkantennen dicht an dicht auf den Dächern sitzen. Überlastungen der mobilen Netze sind keine Seltenheit. Zwar wird durch neue Modulationsverfahren die Bandbreite immer weiter aufgefächert, um die Signale zu verarbeiten. So wie es der Springer-Autor Martin Werner in „Grundbegriffe der Informationstheorie und der Kanalcodierung“ (Ab Seite 180) erklärt.

„Doch die mit den Antennen verbundenen Verstärker, welche die Informationen analog verarbeiten müssen, sind dafür noch gar nicht ausgelegt“, sagt Andreas Wentzel vom Ferdinand-Braun-Institut. Optimiert für maximale Signalpegel, müssen sie jetzt weit darunter arbeiten, was nur sehr ineffizient möglich ist. Darüber hinaus füllen die meist noch analog ausgeführten Verstärker klotzig große Schränke und sind über ein langes Kabel mit der Funkantenne auf dem Dach verbunden. Die Gesamteffizienz einer solchen Anlage liegt daher bei nicht mehr als fünf Prozent.

Digitale Verstärker direkt an die Antenne

Der Trend geht deshalb dahin, digitale Verstärker direkt an der Antenne anzubringen, für eine bessere Netzabdeckung mehr dieser kleineren Basisstationen zu installieren und sie optimal zu verteilen. Der einzelne Verstärker braucht dann statt 150 nur noch 20 bis 50 Watt zu erbringen, denn die Verluste durch lange Kabel fallen ja weg. Aber dafür müssten die Module sehr viel kleiner, flexibler und kompakter werden. Das ist das Ziel des FBH-Projektes „Digitale Leistungsverstärker“ unter Leitung von Wentzel, das im Februar begann und bis Ende 2017 von der Leibniz-Gemeinschaft gefördert wird.

Neben geringer Effizienz haben die bisherigen analogen Leistungsverstärker noch eine weitere Schwäche: Sie decken jeweils nur eine Frequenz ab, so dass zusätzliche Module für unterschiedliche Kommunikationsstandards (3G, 4G, 5G, et cetera) und Frequenzen benötigt werden. Das ist nicht flexibel genug und verursacht Kosten. „Die digitalen Verstärker auf Basis von Galliumnitrid, die wir entwickeln, sind nicht nur effizienter und flexibler, sondern werden breitbandig arbeiten. Die modernen LTE-Kommunikationsstandards in Deutschland nutzen die Frequenzbänder um 800 Megahertz, 1,8 und 2,6 Gigahertz. Ein Chip wird für alle Frequenzen genügen“, erzählt Wentzel.

Hocheffizienter Universalverstärker

Noch aber müssen die FBH-Wissenschaftler wesentliche Grundlagen klären: Etwa die Frage, wie sich das Funksignal am besten kodieren lässt, muss ein Modulator konstruiert werden, der die zu versendenden Daten in ein Funksignal „verpackt“. Anders als bisher, wo nur jeweils eine Information auf einem Frequenzband übertragen wird, will Wentzels Team zeigen, dass man auch zwei Signalfrequenzen in einer Bit-Sequenz codieren kann. Auch an der Verkleinerung des Verstärkerblocks wird die Gruppe weiter arbeiten.

Bisher noch wenig erforscht ist die Linearität digitaler Verstärker – sprich: wie stark verzerrt er das Signal? Und wie viel Information geht so verloren? Drittes Forschungskapitel ist der Filter, der am Ende die Information aus dem Signal-Wirrwarr wieder herausfiltert und zusammensetzt. Er muss auch die beiden gleichzeitig übermittelten Frequenzen wieder sauber trennen können. Die Forscher sind zuversichtlich. Läuft alles nach Plan, existiert ein winziger, hocheffizienter Universalverstärker, der sowohl das 3G- als auch das 4G- oder 5G-Netz bedienen kann.