{"id":28821,"date":"2025-03-13T09:00:00","date_gmt":"2025-03-13T08:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/fmd-insight.de\/?p=28821"},"modified":"2026-03-18T17:37:00","modified_gmt":"2026-03-18T16:37:00","slug":"der-5g-mimo-messsystem-leistungsverstarker","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/news\/interviews\/der-5g-mimo-messsystem-leistungsverstarker\/","title":{"rendered":"Der 5G-MIMO-Messplatz<\/strong> | \u00dcber ein einzigartiges und effizientes Messsystem f\u00fcr Leistungsverst\u00e4rker"},"content":{"rendered":"\n
©<\/span>Adobe Stock | Vitte Yevhen<\/div><\/div><\/div>\n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n
\n
\n

Im Interview: Dr. Olof Bengtsson vom Leibniz FBH
\n<\/strong><\/p>\n<\/div><\/div><\/div> \n <\/div>\n\n \n <\/div>\n\n\n

<\/p>\n\n\n\n

\n
\n \n

Um effiziente und zuverl\u00e4ssige Kommunikationssysteme zu entwickeln, m\u00fcssen Leistungsverst\u00e4rker von Hochfrequenzsignalen sowohl analysiert als auch optimiert werden. Nur so k\u00f6nnen Innovationen vorangetrieben werden, die zu einer verbesserten Energieeffizienz mit der erforderlichen Signalqualit\u00e4t f\u00fchren. Dies ist besonders wichtig bei der Entwicklung von Leistungsverst\u00e4rkern f\u00fcr die Mobil- und Satellitenkommunikation, und wird erm\u00f6glicht durch pr\u00e4zise Hochfrequenz-Messtechniken (HF-Technik). Ein besonderes System ist dabei das 5G-MIMO-Messystem, mit dem weltweit einzigartige Messungen durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen. Wir sprachen mit Dr. Olof Bengtsson, Verantwortlicher f\u00fcr die Mikrowellenmesstechnik und Leiter des RF Power Labs am Leibniz FBH<\/a>, \u00fcber dieses Messsystem und die Spezifikationen.<\/strong><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n \n <\/div>\n\n\n

Dr. Bengtsson, Sie sind verantwortlich f\u00fcr die Mikrowellenmesstechnik und leiten das RF Power Lab am FBH. Was sind Ihre generellen Aufgaben?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Innerhalb der Mikrowellen-Messgruppe unterst\u00fctzen wir unsere Fabs mit Messungen, die bei der Herstellung von elektrischen Hochfrequenz-Komponenten wichtig sind. Dabei sind wir auf Leistungstransistoren, vor allem f\u00fcr die Mobil- und Satellitenkommunikation, spezialisiert und legen den Fokus generell auf das Thema Energieeffizienz. Unsere Labore sind aber grunds\u00e4tzlich sehr vielf\u00e4ltig. Die Kolleg:innen haben eine unglaubliche Expertise und unterst\u00fctzen generell bei allen HF-Messungen. Wir messen Frequenzen von DC bis THz (Gleichstrom bis Terahertz), Leistungen von mW bis kW (Megawatt bis Kilowatt) \u00a0und in Zeit- und Frequenzdom\u00e4nen. Insgesamt haben wir im Bereich III\/V-Elektronik am FBH inzwischen \u00fcber 50 Messpl\u00e4tze in Betrieb, verteilt auf die thematischen Labs und die Mikrowellen-Messgruppe.<\/p>\n

 <\/p>\n

Au\u00dferdem leite ich eines der thematischen Labs, das RF Power Lab, in dem ich zusammen mit einer Gruppe von Doktorand:innen, integrierte effiziente Leistungsverst\u00e4rkersysteme f\u00fcr Telekommunikation und Radar entwickle inklusive der daf\u00fcr erforderlichen Messtechnik. Als Lab-Leiter bin ich daf\u00fcr verantwortlich, Projekte zu akquirieren und zu leiten \u2013 und davon gibt es im Bereich effiziente Verst\u00e4rker und neue Messsysteme einige. Au\u00dferdem betreue ich die Doktorand:innen bei ihrer t\u00e4glichen Arbeit und sorge daf\u00fcr, dass wir unsere Ergebnisse in wissenschaftlichen Publikationen ver\u00f6ffentlichen.<\/p>\n<\/div>

Ein besonderes Messsystem, das Sie bei Ihrer Arbeit nutzen, ist das 5G-MIMO-Messsystem. Wie kam es zur Entwicklung des Systems?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Es ist so, dass in den fr\u00fcheren Generationen der mobilen Kommunikation (2G, 3G, 4G) mit relativ niedrigen Frequenzen (im Bereich bis circa 3 GHz) und entsprechend mit recht schmalbandigen Signalen (im Bereich bis circa 20 MHz) gearbeitet wurde. Mit dem Sprung zu 5G wurden jedoch auch h\u00f6here Frequenzb\u00e4nder bis 6 GHz freigeschaltet, ebenso wie die sogenannten Millimeterwellen, die die hohen Anforderungen an die 5G-Frequenzen hinsichtlich Datenrate, Kapazit\u00e4t und Latenz erf\u00fcllen. Als Erg\u00e4nzung zu den niedrigen Frequenzen wird also auch im Bereich von 24 bis 28 GHz gearbeitet, mit viel breitbandigeren Signalen bis zu 2 GHz. Nun stellte sich die Frage, mit welchen Messsystemen die Schaltkreise eines solchen neuartigen Systems gemessen werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

 <\/p>\n

Unser Vorschlag bestand darin, dass wir das, was wir fr\u00fcher unter 3 GHz auf einem Verst\u00e4rker messen konnten, k\u00fcnftig auf mehreren Verst\u00e4rkern parallel und in vektorkalibrierten Schnittstellen<\/strong> zu den Komponenten messen. Das ist recht komplex, aber erforderlich, denn wir arbeiten mit Wafern, auf denen mehrere Dutzend Verst\u00e4rker integriert sind, die in Zukunft m\u00f6glicherweise zusammenarbeiten. Daher ist das Ziel durch Messungen am Wafer bereits herauszufinden, wie diese Verst\u00e4rker in einem System funktionieren w\u00fcrden. Das war die Ausgangssituation genau zu dem Zeitpunkt, als im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) die 13 in der FMD kooperierenden Institute ihre Infrastruktur erweitern und modernisieren konnten.<\/p>\n<\/div>

Kommen wir nun zum Thema 5G-MIMO, was bedeutet das genau?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

5G-MIMO ist eine Technologie, die in modernen Mobilfunknetzwerken, insbesondere in 5G-Netzen, verwendet wird, um die Daten\u00fcbertragungsraten zu erh\u00f6hen und die Effizienz zu verbessern. MIMO steht f\u00fcr \u00bbMultiple Input, Multiple Output\u00ab<\/strong>. Diese Technologie kommt zum Einsatz, wenn ein Verst\u00e4rker mehrere Ausg\u00e4nge hat, die an verschiedene Antennen angeschlossen sind<\/strong>.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

\n \n
\n
\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>
©<\/span>Fraunhofer Mikroelektronik | Akvile Zaludaite<\/div><\/div>\n<\/div><\/div>\n

Jede dieser Antennen sendet ein phasenverschobenes Signal, wodurch Interferenzen zwischen den Signalen entstehen. Diese k\u00f6nnen so gesteuert werden, dass die Wellen an bestimmten Punkten konstruktiv (also verst\u00e4rkend) oder destruktiv (also abschw\u00e4chend) sind, sodass die Energie letztendlich gezielt gelenkt<\/strong> wird. Mit dieser Richtungswirkung kann mit einer Person in eine Richtung und gleichzeitig mit einer anderen Person in die entgegengesetzte Richtung kommuniziert werden. Anstatt das Signal einfach in alle Richtungen zu streuen, wird es dank der MIMO-Technologie auf die jeweiligen Empf\u00e4nger fokussiert (Keulensteuerung). Dies verhindert eine unn\u00f6tige Energieverschwendung, wie es bei traditionellen Antennen der Fall ist und steigert die Effizienz der Signal\u00fcbertragung erheblich. Zudem k\u00f6nnen viel mehr Personen gleichzeitig mit der Basisstation verbunden sein, was generell zu einem effizienteren Mobilfunksystem f\u00fchrt. Um sicherzustellen, dass die MIMO-Technologie und die Keulensteuerung optimal funktionieren und das Signal effizient in die gew\u00fcnschten Richtungen gelenkt wird, trotz Kopplung zwischen den Verst\u00e4rkern und Nichtlinearit\u00e4ten in den Verst\u00e4rkern, sind Messungen entscheidend. Damit sind wir wieder bei den neuen, ben\u00f6tigten Messsystemen. Die m\u00fcssen nicht nur dazu dienen, einzelne Verst\u00e4rker zu testen, sondern auch die komplexen Schaltkreise auf Wafern, die f\u00fcr das gezielte Ausstrahlen des Signals verantwortlich sind, zuverl\u00e4ssig auswerten.<\/p>\n<\/div><\/div><\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n\n\n\n

Wie funktioniert eine 5G-MIMO-Messung?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Ein Verst\u00e4rker ist ein elektronisches Ger\u00e4t, das ein Signal verst\u00e4rkt, indem es dessen Amplitude erh\u00f6ht, ohne das urspr\u00fcngliche Signal zu verzerren. Idealerweise sollte das verst\u00e4rkte Signal am Ausgang genauso aussehen wie am Eingang, aber mit einer gr\u00f6\u00dferen Amplitude. In modernen Mobilfunktechnologien wie 5G wird digitale Modulation eingesetzt, bei der das Basisbandsignal mit der Information einer anderen Frequenz \u00fcberlagert wird, um das Signal zu \u00fcbertragen. Dadurch entsteht ein breitbandiges Spektrum, das f\u00fcr die effiziente Daten\u00fcbertragung notwendig ist. Wenn der Verst\u00e4rker jedoch nicht v\u00f6llig linear arbeitet, kann dies zu Verzerrungen f\u00fchren, die das Signal verf\u00e4lschen und die Qualit\u00e4t der Kommunikation beeintr\u00e4chtigen. Es ist daher entscheidend, solche Verzerrungen gering zu halten und sie zu identifizieren, um ihre Auswirkung im System zu begrenzen. Kennt man die Verzerrung, kann man mit digitaler Vorverzerrung daf\u00fcr sorgen, dass die Verst\u00e4rker linear und effizient arbeiten.<\/p>\n

 <\/p>\n

Hinsichtlich der Messung sollten dann zwei Voraussetzungen erf\u00fcllt werden: Zum einen muss die Arbeit mit hohen Frequenzen von 20 bis 30 GHz<\/strong> m\u00f6glich sein. Zum anderen m\u00fcssen auch das Signal, das die Informationen \u00fcbertr\u00e4gt sowie die Nachbarkan\u00e4le, d. h. die Frequenzbereiche in der N\u00e4he des \u00fcbertragenen Signals, gemessen werden k\u00f6nnen. Die sogenannte Analysebandbreite ist also sehr breit.<\/strong> Immerhin haben wir eine Modulationsbandbreite im Gigahertz-Bereich.<\/strong><\/p>\n

 <\/p>\n

Fr\u00fcher gab es lediglich einen Eingang und einen Ausgang, und die Messung erfolgte quer dar\u00fcber. Heute k\u00f6nnen wir Signale auf bis zu 16 Toren<\/strong> erzeugen. Ein einfaches Beispiel: Wenn wir zwei Eing\u00e4nge und zwei Ausg\u00e4nge haben, k\u00f6nnen wir das gleiche Signal breitbandig an alle Tore ausgeben und diese elektronisch individuell so steuern, dass ein Zustand f\u00fcr den kleinen Schaltkreis erzeugt wird \u2013 ein Zustand, der auch in der tats\u00e4chlichen Anwendung sichtbar w\u00e4re.<\/p>\n<\/div>

Das 5G-MIMO-Messsystem wurde am FBH konstruiert und ist weltweit einzigartig. Was macht es so besonders?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Allen war klar, dass 5G kommen wird \u2013 entsprechend wurden auch \u00fcberall spezielle Anlagen f\u00fcr 5G-Messungen entwickelt. Diese wurden jedoch so konzipiert, dass der Fokus auf einer Systemmessung liegt, bei der der Verst\u00e4rker bereits integriert ist, sodass eine manuelle Manipulation der Signale nicht mehr erforderlich und m\u00f6glich ist. Das war eine Option, die unsere W\u00fcnsche am FBH nicht erf\u00fcllt h\u00e4tte.<\/p>\n

 <\/p>\n

Es ist f\u00fcr uns unerl\u00e4sslich, jedes Signal individuell und pr\u00e4zise f\u00fcr jedes Tor einstellen zu k\u00f6nnen. Um dies zu erm\u00f6glichen, ben\u00f6tigten wir ein System, das bis zur Referenzebene des Tors kalibriert ist. Nur so k\u00f6nnen wir feststellen, welche Signale genau an unseren Verst\u00e4rkern und Schaltkreisen ankommen. Diese pr\u00e4zise Kontrolle bieten die anderen Systeme nicht.<\/strong><\/p>\n

 <\/p>\n

Um diese Messungen durchzuf\u00fchren, haben wir ein System verwendet, das auf einem sogenannten Vektor-Netzwerk-Analysator basiert (VNA). Dies bedeutet, dass man ein Netzwerk, wie z. B. einen Verst\u00e4rker, mit einem Ein- und Ausgang untersuchen kann, und zwar nicht nur in Bezug auf die Signalst\u00e4rke (Betrag), sondern auch hinsichtlich der Phase des Signals. Die Messungen werden auf definierte Referenzebenen kalibriert, und die gemessenen Parameter sind nur f\u00fcr diese Schnittstelle korrekt. Meistens sind die Messungen am 5G-MIMO-Messplatz bis zur HF-Probespitze kalibriert, mit der wir die Wafer antasten.<\/p>\n

 <\/p>\n

Normalerweise kann man mit einem VNA nur schmalbandig messen \u2013 wir wollten jedoch breitbandig messen. Daher haben wir mit unserem Hersteller gesprochen, der uns nach einigen Jahren Diskussion eine Anlage mit einer Analysebandbreite von 5 GHz statt 15 MHz angeboten hat. Das hei\u00dft, wir haben einen modifizierten Kern in unserem System, den VNA \u2013 genau genommen sogar vier davon \u2013, der f\u00fcr uns angepasst wurde. Jeder unserer VNA hat vier Tore und mit allen vier VNA im Messsystem werden wir zuk\u00fcnftig Komponenten mit bis zu 16 Toren breitbandig messen k\u00f6nnen. Alles drumherum mussten wir aber selbst bauen. So haben wir den Kern mit unserer eigenen Hardware kombiniert und die erforderliche Software f\u00fcr die Ansteuerung selbst entwickelt.<\/p>\n

 <\/p>\n

Sch\u00f6n zu sehen ist \u00fcbrigens auch, dass unsere Arbeit beim Hersteller Aufmerksamkeit erregt hat. Wir haben das Feedback bekommen, dass sie dank der Anforderungen aus dem FBH einige konzeptuelle Neuerungen in neue VNA-Systeme eingebaut haben.<\/p>\n

 <\/p>\n

Dabei haben wir auch an die Zukunft gedacht. 5G ist interessant, aber bald kommt 6G. Uns war es also sehr wichtig, dass wir nicht einen Messplatz kaufen und konzipieren, der nur 5G-Forschungsmessungen erm\u00f6glicht. Unser 5G-MIMO-Messplatz ist modular. Wir k\u00f6nnen ihn weiterentwickeln und die Einzelteile f\u00fcr die kommende Generation und f\u00fcr andere Zwecke nutzen.<\/p>\n<\/div>

Wie hat sich die Arbeit seit der Installation des Messsystems entwickelt?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Wir haben Schritt f\u00fcr Schritt die Komplexit\u00e4t der Messungen gesteigert. 2022 haben wir dann die ersten Multiple-Input-Komponenten messen k\u00f6nnen und gezeigt, dass es klare Vorteile gibt, neuartige Verst\u00e4rker im Hinblick auf eine h\u00f6here Effizienz in einem solchen Messplatz zu optimieren. Man kommt so schneller zu einer L\u00f6sung.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

Der Messplatz wurde im Jahr 2020 installiert. Das ist jetzt gut f\u00fcnf Jahre her. Gab es ein Highlight oder einen besonderen Meilenstein in diesen Jahren?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Auf jeden Fall. Zum Beispiel hatten wir einen Doktoranden von der Universit\u00e4t in Bologna (UNIBO) als Gastwissenschaftler bei uns. Er wollte einen besonderen Typ von energieeffizienten Komponenten mit unserem Messsystem untersuchen. Gemeinsam haben wir diese Komponenten mit einer Bandbreite von 600 MHz erfolgreich getestet<\/strong> und optimiert. Das war ein Highlight, zumal es gezeigt hat, dass unser Konzept funktioniert.<\/p>\n

Was mich auch immer wieder begeistert: Die Anlage ist so vielf\u00e4ltig einsetzbar.<\/strong> Man kann sie an s\u00e4mtliche Messsituationen anpassen. Der italienische Gastwissenschaftler hat z. B. einen Schaltkreis gemessen, der mehrere Eing\u00e4nge hatte \u2013 es handelte sich dabei nicht um einen Standard-MIMO-Fall.<\/p>\n

Dank der Flexibilit\u00e4t des Systems k\u00f6nnen wir viele Projekten mit Messungen unterst\u00fctzen. Ich habe beispielsweise 2023 einen Leibniz-Wettbewerb gewonnen, mit einem Projekt, in dem wir u. a. ein autonomes Messsystem f\u00fcr die Erfassung von Transistordaten erstellt haben. Die Realisierung dieses Projekts w\u00e4re ohne den 5G-MIMO-Messplatz nicht m\u00f6glich gewesen.<\/p>\n<\/div>

Sie haben schon angesprochen, dass Sie mit Gastwissenschaftlern zusammengearbeitet haben. Hei\u00dft das, dass grunds\u00e4tzlich Kooperationen m\u00f6glich sind und auch Partner am Messplatz arbeiten k\u00f6nnen?<\/p>\n<\/div>

<\/span>

Auf jeden Fall. Wir hatten schon Industrieauftr\u00e4ge, bei denen der Messplatz zum Einsatz kam. Au\u00dferdem gibt es die M\u00f6glichkeit, wissenschaftlich mit uns zu kooperieren. Wie bereits angesprochen, gibt es seit einigen Jahren eine Kooperation mit der Gruppe von Dr. Gian Piero Gibiino in Bologna. Fast jedes Jahr kommen daher Doktorand:innen von der UNIBO zu uns, die u. a. am Messplatz arbeiten. Auch nach unserem Short-Course auf der European Microwave Week in Berlin war das Interesse an dem Messsystem sp\u00fcrbar und seitdem finden immer mehr Wissenschaftler:innen den Weg zu uns. Das ist nat\u00fcrlich toll und freut uns sehr.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n

\n
\n \n \n \"\"\n <\/picture><\/div><\/div><\/div>
Dr. Olof Bengtsson, Verantwortlicher f\u00fcr die Mikrowellenmesstechnik und Leiter des RF Power Labs am Leibniz FBH
©<\/span>Fraunhofer Mikroelektronik | Akvile Zaludaite<\/div><\/div>\n <\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Wir sprachen mit Dr. Olof Bengtsson, Verantwortlicher f\u00fcr die Mikrowellenmesstechnik und Leiter des RF Power Labs am Leibniz FBH, \u00fcber 5G-MIMO-Messystem.<\/p>\n","protected":false},"author":138,"featured_media":28841,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[9],"tags":[],"class_list":["post-28821","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-interviews"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/28821","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/138"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=28821"}],"version-history":[{"count":10,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/28821\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":33527,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/28821\/revisions\/33527"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/28841"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=28821"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=28821"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fmd-insight.de\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=28821"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}