5G-Breitbandanschluss Neuartige Antennen statt Kabel oder Festnetz

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Mit 5G, KI und holografischem HF-Beamforming will Pivotal Commware Siedlungen per Funk mit schnellem Internet versorgen. Seine neuartige mmWave-Antennentechnik soll herkömmliche Phased-Array-Antennen obsolet machen – und dabei mehr spektrale Effizienz bieten, deutlich günstiger sein und um Faktor 100 weniger Strom benötigen.

Das werden Kabel- und Festnetzbetreiber gar nicht gerne hören: Als Anbieter von Breitbandanschlüssen im Teilnehmerzugangsbereich (Local Loop) werden sie bald überflüssig sein. Davon ist zumindest Brian Deutsch überzeugt, seines Zeichens CEO von Pivotal Commware. Seiner Ansicht nach führt der kommende 5G-Mobilfunkstandard zu einer stark steigenden Nachfrage nach schnellen drahtlosen Breitbandzugängen im Local Loop. Besonders Techniken, die mit hohen mmWave-Frequenzen arbeiten und Geschwindigkeiten von mehr als 1 GBit/s ermöglichen, seien gefragt.

Eine solche Technik sei „Holographic Beamforming“, kurz HBF, die sein Unternehmen entwickelt und in München gemeinsam mit Technologiepartner Macom vorgestellt hat. „HBF ist eine bahnbrechende Antennentechnologie“, sagt Deutsch. „Sie erweitert die Kapazität und spektrale Effizienz des 5G-Ökosystems von Basisstationen über Netzwerk- bis hin zu Teilnehmergeräten.“ Im Vergleich mit herkömmlichen Phased-Array-Antennen kämen die eigenen Antennen mit einem Bruchteil an Strom aus und seien Größenordnungen günstiger.

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Spezielle HF-Dioden steuern die Impedanz der Antennenzellen

Pivotal fertigt seine passiv-analogen HBF-Antennen als kompakte, mehrschichtige Leiterplatte. Eine Schicht besteht aus einem speziellen Dielektrikum. Kernelemente sind speziell für diesen Anwendungsfall entwickelte HF-Dioden von Technologiepartner Macom. Diese sitzen im Zentrum jeder winzigen Antennenzelle, von denen hunderte in mehreren Reihen auf jedem Board platziert sind. Mithilfe eines RLC-Schwingkreises können sie ihre Impedanz blitzschnell ändern und so die eingeleiteten HF-Signale mehr oder weniger stark bedämpfen. Durch Superposition der einzelnen Strahlungsmuster erreicht Pivotal schließlich die gewünschte gerichtete Abstrahlung des Antennenmoduls.

Mit seiner HBF-Technik hat Pivotal ein Produkt entwickelt, das die Versorgung im Local Loop revolutionieren soll: Echo 5G. Es hat ungefähr die Größe einer Zigarrenschachtel. Der Ausdruck „holografisch“ verbildlicht gut, was mit der Antennentechnik möglich sein soll: Echo 5G scannt die Umgebung, erstellt ein genaues dreidimensionales Abbild der Hochfrequenzumgebung und richtet die eigenen Strahlungskeulen per analogem Beamforming optimal auf ein Zielgerät aus – beispielsweise eine Basisstation.

Künstliche Intelligenz sorgt für optimierte Steuerung des Strahlungsverhaltens

Das Ganze funktioniert dynamisch im Nano- bis niedrigen Millisekundenbereich sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung. Damit nicht genug: Ein Verbund von Echo 5G, das beispielsweise ein Local-Loop-Gebiet versorgt, wird laut Deutsch mithilfe künstlicher Intelligenz dynamisch optimiert, so dass alle Teilnehmer bestmöglichen Empfang haben. Laut Deutsch eine nicht-triviale Aufgabe

Essenzieller Bestandteil der innovativen Antennentechnik sind mmWave-Switching-Dioden, die Macom mithilfe seiner GaAs- und AlGaAs-Prozesstechnologie fertigt. „Macoms HF-Technologie war der Schlüssel dafür, dass wir unsere Idee in ein reales Produkt umsetzen konnten“, sagt Deutsch. Besonders angetan ist er von dem Engagement, dass der Partner während der Entwicklung an den Tag gelegt hat: Die Macom-Ingenieure hätten die Prozesse so lange optimiert, bis die Parameter für die eigene HBF-Anwendung gepasst hätten.

„Wir waren von Beginn an von dem Ansatz von Pivotal überzeugt und haben alles daran gesetzt, maßgeschneiderte HF-Dioden dafür anbieten zu können“, sagt Dr. Douglas J. Carlson, Senior Vice President und General Manager RF and Microwave Business Group von Macom. Leistungsaufnahme, Effizienz, Einfügedämpfung und Kanaltrennung sind große Herausforderungen für HF-Komponenten bei mmWave-Frequenzen. „Die Produkte von Macom meistern diese Herausforderungen“, sagt Deutsch.

5G für Local Loop bislang eher ungeeignet

Mit bisherigen Beamforming-Techniken auf Basis von Phased-Array-Antennen war bislang praktisch keine kostendeckende Erschließung von flächendeckenden Local-Loop-Anschlussgebieten möglich. „Pro 20 Teilnehmern mussten Provider bisher mit rund 250.000 Dollar Erschließungskosten rechnen, unter anderem für Basisstationen mit teuren Phased-Array-Antennen“, sagt Deutsch. Hinzu kommt, dass bisherige Phase Arrays verhältnismäßig viel Strom verbrauchen. Und da die erreichbaren Datenraten bei hohen Frequenzen sehr schnell mit der Entfernung abnehmen, konnten sie trotzdem nicht sicherstellen, alle Teilnehmer zufriedenstellend zu versorgen.

Zudem leidet die Funktechnologie unter einem ganz grundlegenden Problem: Glatte Flächen reflektieren hochfrequente elektromagnetische Wellen. „Hinter Fensterscheiben, zumal wenn sie doppelt oder dreifach verglast sind, bleibt von dem an der Basisstation abgestrahlten Signal nur noch wenig übrig“, veranschaulicht Deutsch die unerwünschte Dämpfung. Diese sei besonders stark, wenn die Strahlung nicht senkrecht, sondern in einem flachen Winkel auftrifft. Da aber die Empfänger, also mobilfunkfähige Router, in der Regel in den Innenräumen aufgestellt sind, seien die erreichbaren Datenraten entsprechend klein.

5G durch’s Fenster: Echo 5G soll lästige Probleme beheben

Abhilfe soll Echo 5G schaffen. Das vom Teilnehmer selbstinstallierbare Produkt ist zweigeteilt: Der mit HBF-Technik ausgestattete Antennenteil sitzt außen auf der Fensterscheibe. Er arbeitet die empfangenen Signale auf und sendet sie über vier integrierte optische Schnittstellen durch die Scheibe zur innen angebrachten Gehäusehälfte. Diese kann per Ethernet beispielsweise an den eigenen WLAN-Router angeschlossen werden. Für spätere Versionen sei auch ein integrierter WLAN-Router denkbar, sagt Deutsch.

Im Außenmodul steckt eine Platine mit vier Antennen: Je eine horizontale und eine vertikal polarisierte Antenne zum Senden und zum Empfangen von Signalen. Da die HBF-Technologie im Vergleich so günstig sei, habe man sich dazu entschieden, dedizierte Antennen für den Up- und Down-Link zu implementieren. Dadurch können man auf das Umschalten zwischen Sende- und Empfangsbetrieb verzichten und die volle Bandbreite in beide Richtungen nutzen. Die nötige Energie bezieht das Modul per elektromagnetischer Induktion durch die Glasscheibe von seinem innenliegenden Konterpart.

180-Grad-Beamforming und 100-mal geringere Leistungsaufnahme

Während sich Strahlungskeulen mit bisherigen Phased-Array-Antennen in einem Winkelbereich von rund 60 Grad ausrichten lassen, ist mit HBF laut Deutsch eine Lenkung über nahezu 180 Grad möglich. Darüber hinaus komme die Antenne mit weniger als 4 W aus. Zum Vergleich: „Bisherige Phased-Array-Antennen verbrauchen oft mehrere hundert Watt“, sagt Deutsch.

Deutsch denkt bereits weit über die jetzige Anwendungsmöglichkeit hinaus: Per Fog- und Edge-Computing und intelligenter Antennentechnik soll es in Zukunft möglich sein, Services und Inhalte an jedem gewünschten Ort punktgenau zur Verfügung zu stellen. Smartphones würden zu bloßen Anzeigegeräten degradiert, die ohne eigenen, stromfressenden Hochleistungsprozessor auskommen könnten. Riesiges Einsatzpotenzial sieht er zudem auf dem Gebiet des automatisierten und autonomen Fahrens. Möglich ist dies, weil die HBF-Antennen sich dynamisch auf bewegliche Objekte ausrichten können.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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