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4-2022

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Prinzipieller Aufbau eines Autoklavs zur Hybrid-Termalsynthese (nach Götze 2009) genden Frequenzstabilität der nun eingesetzten quarzbasierten Oszillatoren wurde das Problem der Frequenzdrift zwischen den Stationen gelöst und ein besseres Hörerlebnis ermöglicht. Mit dem Beginn des digitalen Zeitalters in den 50er Jahren stieg die Nachfrage drastisch an, und ein kommerzielles Verfahren zur Züchtung synthetischer Quarze musste her. Dieses wurde schließlich ebenfalls von Bell Laboratories entwickelt Quarzbarren vor der Weiterverarbeitung und ermöglichte es, die enorme Nachfrage nach Quarzen für den Einsatz in Oszillatorschaltungen zuverlässig zu decken. Die Entstehung des Herzstücks des Quarz-Oszillators Quarzschnitte Bis heute sind die künstlich erzeugten Quarze die häufigste Basis für Oszillatoren. Mittels Hydrothermalsynthese erfolgt die Quarzzucht aus einer wässrigen Lösung in großen Autoklaven bei Temperaturen zwischen 350 und 400 °C und Druck zwischen 100 und 120 MPa. Als Nährstoff werden natürliche Quarzsteine verwendet, die sich unter diesen Bedingungen langsam auflösen. Aufgrund des Temperaturdifferentials, welches in den Autoklaven aufrechterhalten wird, fließt die so entstandene Lösung in die Wachstumszone des Autoklavs, um dort zu reinen Quarzen heranzuwachsen. Mit dieser Methode lassen sich perfekt gezüchtete Quarzkristalle von hoher Reinheit und Qualität erzeugen, welche sich auch für modernste Anwendungen eignen. Der entstandene Quarzbarren wird anschließend in Wafer geschnitten. Hierfür muss zuerst die Lage der X/Y/Z-Achsen, mithilfe eines Röntgengerätes ermittelt werden. Da die Temperaturstabilität des Quarzes durch den Schnittwinkel beeinflusst wird, ist eine präzise Schnittführung von besonderer Bedeutung. 90% aller Quarze werden mit dem sogenannten AT-Schnitt gefertigt. Dabei wird der Quarz in einem Winkel von 35° 15‘ zur Z-Achse des ursprünglichen Barrens geschnitten. Zum Schneiden der Rohquarzbarren werden spezielle Mehrblattsägen verwendet, welche mit einem Laser-Refraktometer in Verbindung mit einer Befestigungs- und Klebevorrichtung ausgestattet sein können. Die Quarzbarren lassen sich damit, mit gegeneinander ausgerichteten kristallografischen Winkeln, zusammenkleben und dann in Endprodukte mit Abweichungen von etwa 10 Winkelsekunden (ein 360-stel Grad) schneiden. Die Temperaturkurve von AT- Schnittquarzen entspricht in etwa y = x³. Abweichungen des Schnittwinkels wirken sich dabei auf den Verlauf der Kurve und die Frequenzstabilität des Endprodukts aus. Um Quarze zu gewinnen, die den hohen Anforderungen in Bezug auf die Winkelgenauigkeit entsprechen, müssen größere Mengen produziert werden, die dann später kontrolliert und sortiert werden. Quarze, die hier aus der Toleranz fallen, werden für andere Anwendungen mit breiter gefassten Spezifikationen genutzt. Quarzfabriken haben daher häufig eine ganze „Bibliothek“ von Quarzscheiben (sog. Blanks) vorrätig. Sind die Blanks gefertigt, muss die Frequenz eingestellt werden, mit der der Quarz schwingen soll. Sie ist umgekehrt proportional zur Masse des Quarzes. Bei Blanks im AT-Schnitt beträgt die Schwingfrequenz der Teile etwa 1680 geteilt durch die Dicke in Millimeter. Ein 10-MHz-Quarz muss beispielsweise geschliffen, geläppt, geätzt und poliert werden, bis die Dicke bei etwa 0,168 mm liegt. Bei jedem Verarbeitungsschritt können Absplitterungen, Risse, Kratzer oder Parallelitätsverlust auftreten, die zu Fehlfunktionen des Endprodukts führen und Störsignale oder unter bestimmten Umständen plötzliche Frequenzänderungen verursachen können. Typischerweise beträgt die höchste noch für die praktische Anwendung herstellbare Grundfrequenz etwa 40 MHz. Allerdings gibt es eine 24 hf-praxis 4/2022

10 TO 65 GHZ mmWave Mixers Ultra-Wideband Frequency Conversion • IF band as wide as DC-20 GHz • Connectorized, SMT and die formats available • LO to RF Isolation as high as 45 dB • Conversion loss as low as 8.4 dB • Useable as an up and down converter • Suitable for 5G, WiGig, defense radar and communication, and more DISTRIBUTORS

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