Eine leistungsstarke Technologie für 5G-Anwendungen kommt auf den Markt

von: Baljit Chandhoke

Wir können die Überlastung zwar nicht buchstäblich sehen, aber das elektromagnetische Spektrum ist bei den Frequenzen, die üblicherweise für drahtlose Verbindungen und Datenkommunikation verwendet werden, so überfüllt, dass Datenstaus immer wahrscheinlicher werden und zu Störungen führen. Erschwerend kommt hinzu, dass die heutigen drahtlosen Geräte und Netze, die mit weniger als 6 GHz betrieben werden, für die Anforderungen der nächsten Generation von Anwendungen von Natur aus ungeeignet sind.

Die Lösung besteht darin, das Millimeterwellenband des Spektrums (30 bis 300 GHz) zu nutzen, das viel mehr Bandbreite bietet. Der sich entwickelnde 5G-Standard, von dem Sie schon so viel gehört haben, soll einen gemeinsamen Weg für die Nutzung dieses sogenannten mmWave-Bandes aufzeigen.

Es ist jedoch keine leichte Aufgabe, eine Technologie zu entwickeln, die dies leisten kann, insbesondere für mobile Anwendungen. Ein Problem ist, dass ultrahohe Frequenzen unter hohen Ausbreitungsverlusten leiden. Das bedeutet, dass eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist, aber in einem batteriebetriebenen Gerät wie einem Smartphone ist auch eine hohe Energieeffizienz erforderlich - und das ist schwer zu erreichen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass mmWellen-Übertragungen durch Gebäude oder andere Objekte blockiert werden können. Daher ist die Fähigkeit, präzise "Bleistift"-Strahlen zu bilden, die zu und von Phased-Array-Antennen abstrahlen, von entscheidender Bedeutung.

Die 45-nm-RF-SOI-Technologieplattform (45RFSOI) von GF zielt auf HF- und mmWave-Anwendungen der nächsten Generation, wie integrierte Front-End-Module (FEMs) und Beamformer in 5G-Basisstationen und Smartphones, Breitband-Satcom-Phased-Array-Terminals, Kfz-Radar und andere sich entwickelnde drahtgebundene und drahtlose Hochleistungsanwendungen.

Die 45RFSOI-Technologie ist vollständig qualifiziert und produktionsreif, und wir arbeiten bereits mit wichtigen Kunden an mehreren dieser Anwendungen. Wir gehen davon aus, dass mehrere Kunden in diesem und im nächsten Jahr mit der Produktion beginnen werden, und wir erwarten, dass die erste Serienproduktion noch in diesem Jahr anlaufen wird.

Prozessdesign-Kits sind jetzt erhältlich, und vierteljährliche Wafer-Läufe mit mehreren Projekten sind ebenfalls für ein schnelles Prototyping verfügbar, so dass Kunden die Hardware-Ergebnisse so früh wie möglich bewerten können.

Technische Höhepunkte

Das Schöne an unserem 45RFSOI ist, dass er aus einer teilweise verarmten 45-nm-SOI-Basistechnologie der Serverklasse auf 300-mm-Basis hervorgegangen ist, die seit einem Jahrzehnt in mehreren GF-Fabriken in Serienproduktion ist. Wir haben sie umfassend für den Einsatz in mmWave-Anwendungen evaluiert und HF-zentrierte Aktivierungs-, Bauelemente- und Technologiemerkmale hinzugefügt, die sie in die Lage versetzen, die bevorstehenden 5G-Anforderungen besser zu erfüllen als konkurrierende Technologien.

Für eine überragende HF-Leistung kombiniert die 45RFSOI-Plattform beispielsweise Hochfrequenztransistoren (ft/fmax von 305/380 GHz) mit einem SOI-Substrat mit hohem spezifischen Widerstand und HF-freundlichen Metallverbindungen. Es gibt ultradicke Top-Level-Kupferverbindungen für ein optimales Design der Übertragungsleitungen, und die Verbindung führt auch zu einer verbesserten Rauschisolierung und Unterdrückung von Oberwellen, so dass extrem rauscharme Verstärker (LNAs) erreicht werden können.

Um den Leistungsbedarf, die Abmessungen und die Kosten zu reduzieren, wurde der 45RFSOI für die einfache Integration von Funktionen wie Leistungsverstärkern (PAs), Schaltern, LNAs, Phasenschiebern, Auf-/Abwärtswandlern und spannungsgesteuerten Oszillatoren/Phasenregelschleifen (VCOs/PLLs) konzipiert.

Bei der SOI-Technologie sind die Transistoren elektrisch vom Substrat isoliert, anders als bei der Standard-CMOS-Technologie, bei der das Substrat ein gemeinsamer Knotenpunkt ist. Daher können HF-SOI-Transistoren gestapelt werden, um höhere Durchbruchsspannungen und Leistungsfähigkeiten zu erreichen, was besonders für Beamforming-Frontend-Schaltungen wie PAs, LNAs und Schalter wichtig ist.

Da 45RFSOI so leistungsstarke und hochintegrierte Chips ermöglicht, werden im Vergleich zu anderen Technologien weniger Chips für ein Antennen-Array benötigt, was den Kunden die Möglichkeit gibt, kleinere, kostengünstigere Phased-Array-Systeme zu bauen.

Eine Reihe von RF-Lösungen

45RFSOI ist der jüngste Zuwachs in der Palette der Technologielösungen von GF für RF-Anwendungen, die das branchenweit breiteste Angebot an RF foundry Prozessen umfasst. Dazu gehören 45RFSOI und 8SW RFSOI, Silizium-Germanium (SiGe) und RF-CMOS Technologien.

Diese Technologien umfassen ein breites Spektrum an ausgereiften und fortschrittlichen Knoten mit RF-optimierten Optionen, ein breites Spektrum an ASIC-Design-Services und grundlegendes geistiges Eigentum (IP).

Ihr wichtigstes Merkmal ist jedoch, dass sie unseren Kunden helfen, ihre schwierigen technologischen Herausforderungen zu bewältigen, und ihnen die Möglichkeit geben, die sich ihnen bietenden Marktchancen besser zu nutzen.

mmWave-Anwendungen - Phased-Array-Antennensystem