Les communications mobiles 6G devraient ouvrir la voie à des applications innovantes telles que l'intelligence artificielle, la réalité virtuelle et l'internet des objets d'ici 2030. Cela nécessitera une capacité de performance bien supérieure à celle de la norme mobile 5G actuelle, impliquant de nouvelles solutions matérielles. Lors de l'EuMW 2022, Fraunhofer IAF présentera donc un module émetteur à base de GaN économe en énergie pour les gammes de fréquences pertinentes pour la 6G au-dessus de 70 GHz, qui a été développé conjointement avec Fraunhofer HHI. La haute performance du module a déjà été démontrée chez Fraunhofer HHI.

Voitures autonomes, télémédecine, usines automatisées - de futures applications prometteuses comme celles-ci dans les transports, les soins de santé et l'industrie dépendent de technologies de l'information et des communications qui dépassent la portée des performances de la norme actuelle de communications mobiles de cinquième génération (5G). Les communications mobiles 6G, qui devraient être introduites en 2030, promettent la mise en réseau à haut débit nécessaire pour les volumes de données requis à l'avenir, avec des débits de données supérieurs à 1 Tbit/s et des latences jusqu'à 100 µs.

Le Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF et le Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute, HHI travaillent depuis 2019 sur les nouveaux composants haute fréquence nécessaires aux communications mobiles 6G dans le cadre du projet KONFEKT ("Components for 6G Communications ").

Les chercheurs ont développé des modules émetteurs basés sur le nitrure de gallium (GaN) à semi-conducteur de puissance, avec lesquels les gammes de fréquences autour de 80 GHz (bande E) et 140 GHz (bande D) peuvent être exploitées pour la première fois avec cette technologie. Le module émetteur innovant en bande E, avec ses hautes performances déjà testées avec succès par Fraunhofer HHI, sera présenté au public expert lors de la Semaine européenne des micro-ondes (EuMW) à Milan, en Italie, du 25 au 30 septembre 2022.

Matériel innovant grâce aux semi-conducteurs composés à large bande et aux processus SLM

"La 6G nécessite de nouveaux types de matériel en raison des exigences élevées en matière de performances et d'efficacité", explique le Dr Michael Mikulla de Fraunhofer IAF, qui coordonne le projet KONFEKT. "Les composants à l'état actuel de la technique atteignent leurs limites. Cela s'applique en particulier à la technologie sous-jacente des semi-conducteurs et à la technologie d'assemblage et d'antenne. Pour obtenir de meilleurs résultats en termes de puissance de sortie, de bande passante et d'efficacité énergétique, nous utilisons des composants intégrés monolithiques à base de GaN circuits micro-ondes (MMIC) pour notre module au lieu des circuits au silicium actuellement utilisés. En tant que semi-conducteur à large bande interdite, le GaN peut traiter des tensions plus élevées et permet en même temps des composants à pertes nettement plus faibles et plus compacts. De plus, nous éliminons structures de montage en surface et de conditionnement planaires pour concevoir une architecture de formation de faisceaux à faible perte avec des guides d'ondes et des circuits parallèles inhérents."

Fraunhofer HHI est également fortement impliqué dans l'évaluation des guides d'ondes imprimés en 3D. Plusieurs composants, dont des répartiteurs de puissance, des antennes et des lignes d'alimentation d'antenne, ont été conçus, fabriqués et caractérisés à l'aide du procédé de fusion laser sélective (SLM). Ce processus permet également de fabriquer rapidement et à moindre coût des composants qui ne peuvent pas être produits par des méthodes conventionnelles, ouvrant la voie au développement de la technologie 6G.

"Grâce à ces innovations techniques, les instituts Fraunhofer IAF et HHI font faire à l'Allemagne et à l'Europe un pas en avant significatif vers les communications mobiles du futur, tout en apportant une contribution importante à la souveraineté technologique nationale", déclare Mikulla.

Démonstration réussie de modules émetteurs hautes performances pour les futures bandes de fréquences 6G

Le module en bande E atteint une puissance de sortie linéaire de 1 W dans la plage de fréquences de 81 GHz à 86 GHz en couplant la puissance d'émission de quatre modules individuels avec des composants de guide d'ondes à très faible perte. Cela le rend adapté aux liaisons de données point à point à large bande sur de longues distances, ce qui est une capacité clé pour les futures architectures 6G.

Diverses expériences de transmission menées par Fraunhofer HHI ont déjà démontré les performances des composants développés conjointement :dans différents scénarios extérieurs, des signaux correspondant aux spécifications de développement actuelles de la 5G (5G-NR Release 16 de l'organisation mondiale de normalisation des communications mobiles 3GPP) ont été transmis à 85 GHz avec une bande passante de 400 MHz.

Avec une ligne de visée dégagée, les données ont été transmises avec succès sur une distance de 600 mètres en modulation d'amplitude en quadrature à 64 symboles (64-QAM), garantissant une efficacité de bande passante élevée de 6 bits/s/Hz. L'amplitude vectorielle d'erreur (EVM) du signal reçu était de -24,43 dB, bien en dessous de la limite 3GPP de -20,92 dB. Avec une ligne de mire obstruée par des arbres et des véhicules en stationnement, les données modulées 16QAM pourraient être transmises avec succès sur une distance de 150 mètres. Même avec une ligne de visée complètement bloquée entre l'émetteur et le récepteur, il était toujours possible de transmettre et de recevoir avec succès des données modulées à quatre phases (Quaternary Phase-Shift Keying, QPSK) avec une efficacité de 2 bits/s/Hz. Le rapport signal sur bruit élevé, parfois supérieur à 20 dB dans tous les scénarios, est remarquable, surtout compte tenu de la gamme de fréquences, et n'est rendu possible que par les hautes performances des composants développés.

Dans une deuxième approche, un module émetteur pour la gamme de fréquences autour de 140 GHz a été développé, combinant une puissance de sortie de plus de 100 mW avec une bande passante extrême de 20 GHz. Les tests avec ce module sont toujours en attente. Les deux modules émetteurs sont des composants idéaux pour le développement et le test des futurs systèmes 6G dans la gamme de fréquences térahertz. + Explorer plus loin

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