Világrekord a vezetékmentes kommunikációban

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 Gbps maximális adatátviteli sebességre képes nagy sávszélességű vezeték nélküli trönkvonalak iránt. Ez a technológia alkalmas lehet a digitális szakadék áthidalására.

A milliméteres hullámhossztartomány W-sávja 10 Gbps 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 (High Electron Mobility Transistor) 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.

A japánok ezért speciális teljesítményerősítőt fejlesztettek ki gallium-nitridből (GaN) készült HEMT tranzisztorok felhasználásával. Az új teljesítményerősítő 1,3 wattos világrekorder kimeneti teljesítményt ért el a vezeték nélküli kommunikációban, a milliméteres hullámhossztartomány egyre szélesebb körben használt W-sávjában. Az új erősítő átviteli teljesítménye tizenhatszorosa a korábbi gallium-arzenidből (GaAs) készült erősítőkének, ami lehetővé teszi a W-sáv hatótávolságának mintegy hatszoros kiterjesztését.

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.

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.

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.