Sie haben auch die Technologie zur Modulation entwickelt. Mit diesen Entwicklungen gelang es ihnen, drahtlose Übertragungsgeschwindigkeiten von 56 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) zu erreichen – die schnellsten der Welt.
Um dem durch die weitverbreitete Nutzung von Smartphones und anderen Geräten verursachten sprunghaften Anstieg des Datenverkehrs gerecht zu werden, wurden in den letzten Jahren Glasfasernetze zur Verbindung von Basisstationen aufgebaut. Ein Problem dieses Ansatzes ist jedoch die Schwierigkeit, den Dienst in Gebieten auszubauen, in denen die Verlegung von Glasfaserkabeln aufwendig ist, wie beispielsweise in Ballungsräumen oder Regionen, die von Flüssen oder Bergen umgeben sind. Um dieses Problem zu lösen, haben das Tokyo Institute of Technology und die Fujitsu Laboratories Hochgeschwindigkeits-Funktransceiver-Technologien entwickelt, die das Millimeterwellenband (30 bis 300 GHz) nutzen. In diesem Frequenzbereich werden derzeit nur wenige drahtlose Anwendungen entwickelt, und diese Technologien ermöglichen Kommunikationen mit hoher Kapazität.
Diese Technologie ermöglicht den Einsatz von drahtlosen Kommunikationsgeräten mit hoher Kapazität, die im Freien installiert werden können, also in Anwendungsbereichen, die mit Glasfasernetzen nicht abgedeckt werden können.
Die Details dieser Technologie wurden auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference 2016 (ISSCC 2016), der größten Konferenz zum Thema Halbleitertechnologie, vorgestellt.
Für drahtlose Hochleistungsübertragungen werden breite Frequenzbereiche benötigt. Daher bietet sich das Millimeterwellenband an. Da im Millimeterwellenband jedoch so hohe Frequenzen verwendet werden, gestaltet sich die Entwicklung von CMOS-integrierten Schaltungen für diesen Zweck schwierig, da die Schaltungen so ausgelegt sein müssen, dass sie nahe an den Leistungsgrenzen arbeiten. Auch die Entwicklung verlustarmer Sende- und Empfangsschaltungen, die Breitbandsignale innerhalb und außerhalb des Millimeterwellenbands modulieren und demodulieren können, sowie verlustarmer Schnittstellenschaltungen zur Verbindung der Leiterplatte mit der Antenne war bisher eine Herausforderung.
Über diese Technologie
Der neu entwickelte CMOS-Funktransceiver-Chip und das dazugehörige Funkmodul (Abbildung 1) bestehen aus zwei Schlüsseltechnologien.
1. Verlustarme Transceiver-Schaltung mit hoher Bandbreite
Das Tokyo Institute of Technology hat eine Technologie für breitbandige, verlustarme Transceiver-Schaltungen entwickelt, bei der Datensignale in zwei Teile aufgeteilt, jeweils in einen anderen Frequenzbereich umgewandelt und anschließend wieder zusammengeführt werden (Abbildung 2). Jedes Signal wird in einem 10 GHz breiten Band moduliert, wobei das untere Band den Bereich von 72–82 GHz und das obere Band den Bereich von 89–99 GHz abdeckt. Diese Technologie ermöglicht die Modulation eines ultrabreitbandigen 20-GHz-Signals mit geringem Rauschen und einem ähnlichen Eingangs-/Ausgangsleistungsverhältnis bis zu 10 GHz, was zu qualitativ hochwertigen Signalübertragungen führt.
Das Tokyo Institute of Technology hat außerdem einen Verstärker zum Senden und Empfangen von Radiowellen als Millimeterwellensignale entwickelt. Der Ultrabreitbandverstärker für den Frequenzbereich von 72 bis 100 GHz verfügt über eine Schaltung, die das Verstärkungsverhältnis stabilisiert, indem sie die Ausgangssignalamplitude für Signalanteile, deren Verstärkungsverhältnis mit der Frequenz abnimmt, an den Eingang zurückführt.
2. Modulationstechnologie
Das vom Halbleiterchip umgewandelte Millimeterwellensignal wird über den Signalpfad der Leiterplatte zur Antenne geleitet. Da die Antenne aus einem Hohlleiter (einem Metallzylinder) besteht, ist eine verlustarme Ultrabreitbandverbindung zwischen Leiterplatte und Hohlleiter erforderlich. Die Fujitsu Laboratories und das Tokyo Institute of Technology haben eine Schnittstelle zwischen Leiterplatte und Hohlleiter entwickelt, die ein speziell entwickeltes Leiterbahnmuster auf der Leiterplatte nutzt, um die Impedanz für den Ultrabreitbandbereich anzupassen und so die Verluste im gewünschten Frequenzbereich zu reduzieren.
Bei diesem Entwicklungsprojekt war das Tokyo Institute of Technology vor allem für die Reduzierung der Verluste in den Schaltungs-Transceivern und die Entwicklung von Breitbandtechnologien zuständig, während Fujitsu Laboratories hauptsächlich die Modularisierungstechnologien betreute.
Ergebnisse:
Es wurden Datenübertragungstests in Innenräumen mit zwei einander gegenüberliegenden Modulen im Abstand von 10 cm durchgeführt. Dabei wurden Datenübertragungsraten von 56 Gbit/s erreicht – die weltweit höchste drahtlose Übertragungsgeschwindigkeit – bei einem maximalen Verlust von 10 % zwischen Wellenleiter und Leiterplatte.
Durch die Kombination der in diesem Projekt entwickelten Technologien mit Hochleistungsverstärkern zur Signalverstärkung und Reichweitenerhöhung sowie schaltungsbasierter Basisbandtechnologie zur Verarbeitung von Ultrabreitbandsignalen lässt sich die Kapazität drahtloser Geräte für die Außeninstallation steigern. So kann selbst an Orten mit schwieriger Glasfaserverlegung, wie in Stadtgebieten oder in bergigem bzw. flussnahem Gelände, ein leistungsstarkes drahtloses Basisstationsnetz aufgebaut werden, das zu einer komfortablen Kommunikationsumgebung beiträgt.
Zukunftspläne:
Fujitsu Laboratories strebt eine kommerzielle Implementierung von drahtlosen Stammleitungen für Mobilfunkbasisstationen um das Jahr 2020 an.
