Verbesserte Keramik könnte eine entscheidende Rolle beim Aufstieg in die Höhe spielen

Von American Institute of Physics, 23. März 2021

Vorteile von 5G-Systemen. Bildnachweis: Skyworks Solutions

Einige 5G-Technologien gelten immer noch als der Wilde Westen in der Material- und Designentwicklung.

5G, der Technologiestandard der fünften Generation für Breitband-Mobilfunknetze, soll endlich angekommen sein und ultraschnelle Download-Geschwindigkeiten, ein Ende von Anrufabbrüchen und Puffern sowie eine bessere Konnektivität bringen, um die Entwicklung autonomer Fahrzeuge, Fernchirurgie und das Internet der Dinge voranzutreiben .

In truth, 5G technology adoption is still in its early stages, according to Michael Hill, technical director of Skyworks Solutions, a California-based advanced-semiconductor company. In their paper, published in Applied Physics LettersApplied Physics Letters (APL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Institute of Physics. It is focused on applied physics research and covers a broad range of topics, including materials science, nanotechnology, photonics, and biophysics. APL is known for its rapid publication of high-impact research, with a maximum length of three pages for letters and four pages for articles. The journal is widely read by researchers and engineers in academia and industry, and has a reputation for publishing cutting-edge research with practical applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">In Applied Physics Letters von AIP Publishing geben Hill und seine Kollegen einen Überblick über aufkommende 5G-Technologien und zeigen, wie die Verbesserung keramischer Materialien eine entscheidende Rolle bei der 5G-Entwicklung spielen könnte.

5G arbeitet in zwei Frequenzbändern: 3–6 Gigahertz für Fernverbindungen und einem viel höheren Frequenzband im Millimeterwellenbereich (20–100 GHz) für ultraschnelle Datengeschwindigkeiten.

Die Unterbringung des niedrigeren Frequenzbandes näher an den 4G-Spektralbereichen ist weniger problematisch als die erheblichen Änderungen, die erforderlich sind, um die 5G-Fähigkeit in den höheren Frequenzbereichen vollständig zu realisieren. Beispielsweise ist der Frequenztyp an die Gesamtsignalstärke gebunden. Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Distanz, die die Welle zurücklegen kann.

Keramische Materialien werden seit langem in drahtlosen Kommunikationsnetzwerktechnologien sowohl für mobile Geräte als auch für Basisstationen verwendet. Die Verbesserung der Keramik war daher ein zentraler Schwerpunkt bei der Verbesserung der 5G-Fähigkeit. Hill's Forschungsgruppe hat ihrerseits eine Keramik entwickelt, um ein Gerät zu verbessern, das für 5G-Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist, einen sogenannten Zirkulator.

Typischerweise bestehen Zirkulatoren aus isolierenden Keramikmaterialien auf der Basis von Yttrium-Eisen-Granat. Sie sind Geräte mit drei Anschlüssen, die als Verkehrskreise dienen, um den Signalfluss in einer Richtung aufrechtzuerhalten und es einem Empfänger und einem Sender zu ermöglichen, dieselbe Antenne zu nutzen.

Um die Energiedichte für die höheren Frequenzen deutlich zu erhöhen, haben die Forscher Yttrium teilweise durch Wismut ersetzt, ein schweres Element, das die Dielektrizitätskonstante der Keramik erhöht. Die Bismutsubstitutionen ermöglichen auch die Miniaturisierung von Zirkulatoren.

Da sich der Kampf um die 5G-Technologie weiter verschärft, könnten Zirkulatoren durch Hochleistungsschalter auf Galliumnitridbasis ersetzt werden, was zeigt, wie früh die Entwicklung der 5G-Technologie noch ist.

„Die Millimeterwellentechnologie wird wahrscheinlich noch einige Zeit der Wilde Westen bleiben, da möglicherweise eine Technologie dominiert, nur um dann schnell von einer anderen Technologie verdrängt zu werden“, sagte Hill.

Referenz: „Perspective on ceramic material for 5G wireless communication systems“ von Michael David Hill, David Bowie Cruickshank und Iain MacFarlane, 23. März 2021, Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0036058