Funkquarze: wie sie funktionieren und was sie bewirken

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Funkquarze: Wie sie funktionieren und was sie bewirken

Funksender arbeiten auf einer bestimmten Frequenz. Das elektromagnetische Feld, das der Sender erzeugt, schwingt auf eben dieser Frequenz. Da Funkwellen sich, ebenso wie das Licht, mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ist eine Funkfrequenz fest an eine Wellenlänge gekoppelt. Egal, ob wir an unserem Empfänger nun eine bestimmte Wellenlänge einstellen, oder eine bestimmte Frequenz – es sind zwei Seiten derselben Medaille. In vielen Bereichen ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Funkverbindung entscheidend für das Funktionieren des Gesamtsystems. Unter Umständen kann dies lebenswichtig sein. Man denke an die Kommunikation des Towers am Flughafen mit hereinkommenden Flugzeugen, an den Sprechfunk in Rettungswagen und vieles andere. Die Stabilität einer Funkfrequenz ist jedoch auch im Alltag mehr als wünschenswert. Niemand möchte ständig an Fernseher oder Radio den Empfang des Senders nachjustieren. Wenn eine Sendefrequenz angegeben wird, können wir uns normalerweise darauf verlassen, dass diese nicht schwankt. Doch wie wird das realisiert?
Zunächst wird eine konstante Schwingung von einem Oszillator erzeugt. Grundsätzlich sind Oszillatoren Bauteile, die Schwingungen ermöglichen, wenn sie angeregt werden, gleichgültig, ob es sich dabei um eine mechanische, akustische oder elektrische Schwingung handelt. Somit wäre also auch eine Gitarrensaite ein Oszillator. Auch hier sollte die Schwingung sich möglichst in einem festgelegten Bereich bewegen. Wer schon einmal eine Gitarre gestimmt hat, wird bemerkt haben, dass das nicht ganz einfach ist. Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur können das sorgsam getunte Instrument in kurzer Zeit wieder verstimmen.
Ein elektronischer Oszillator ist eine Schaltung, die aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung macht. Diese sollte möglichst sinusförmig sein und eine konstante Frequenz und Amplitude haben. Erreicht wird das zum Beispiel durch eine Rückkopplung: Eine Schwingung, die vom System erzeugt wird, wird diesem wieder zugeführt und verstärkt. Während des Anregens der Rückkopplung erhöht sich die Amplitude, bis sie eine Grenze erreicht, die physikalisch durch die Bauart des Systems vorgegeben ist. Die Frequenz ist dabei konstant – leider nur annähernd. Bei elektromagnetischen Schwingungen, die die Sendefrequenz einer Funkantenne bestimmen, treten ebenso Störfaktoren auf wie bei einer Gitarrensaite. Auch hier kann das die Temperatur sein, es kommen jedoch weitere Faktoren hinzu, wie z. B. leichte Schwankungen der Stromstärke oder der abgegriffenen Leistung. Funkquarze, allgemein als Schwingquarze bezeichnet, sind in der Lage, die erzeugte Frequenz mit einer Genauigkeit zu stabilisieren, die weit über den meisten technischen Anforderungen liegt. Doch wie funktioniert das?

Der piezoelektrische Effekt

Piezoelektrische Materialien – auch Quarz gehört dazu – haben eine besondere Eigenschaft: Sie wandeln mechanischen Druck und die minimale damit einhergehende Verformung in elektrische Spannung um. Unter Druck verformt sich jede einzelne Zelle des Quarzkristalls. Dabei entsteht ein elektrischer Dipol, der eine Spannung aufweist, die leicht vom stabilen Nullzustand abweicht. Über die ganze Länge eines Quarzkristalls summiert sich die Spannung dieser Dipole zu einer makroskopischen Größe, die an der Oberfläche des Quarzes mit Elektroden abgegriffen werden kann.
Aber was bringt den Quarzkristall zum Schwingen? Voraussetzung dafür ist die Umkehrbarkeit (Reziprozität) des piezoelektrischen Effekts: Durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden kann tatsächlich eine Verformung des Kristalls erreicht werden. Mit einer geeigneten Wechselspannung, die der Eigenfrequenz des Kristalls entspricht, kann dieser nun zum Schwingen gebracht werden. Er schwingt dabei tatsächlich mechanisch wie eine Gitarrensaite. Wir könnten den dabei entstehenden Ton hören, wenn er nicht viel zu leise und zu hoch für das menschliche Ohr wäre. Die Auslenkung der Schwingung, die Amplitude, ist dafür zu gering. Die verwendeten Frequenzen im Funkbereich befinden sich mit einigen Hundert Mhz bis ca. 6 GHz weit außerhalb des hörbaren Bereiches. Dank des piezoelektrischen Effekts macht sich die Schwingung des Kristalls jedoch auf andere Weise bemerkbar: in Form einer elektrischen Wechselspannung, die an den Elektroden an seiner Oberfläche anliegt. Dank der geordneten Kristallstruktur des Quarzes ist diese Schwingung sehr viel konstanter als die eines elektrischen Oszillators.

Wie Schwingquarz und Oszillator zusammenarbeiten

Die vom Oszillator erzeugte Schwingung hat (mit physikalisch bedingten Abweichungen) die gleiche Frequenz wie der Quarz. Sie wird nun genutzt, um diesen anzuregen und zum Schwingen zu bringen. Die daraus resultierende Spannung wird anschließend wiederum als Taktgeber für den Oszillator genutzt. So befinden sich beide Bauteile in Resonanz miteinander. Der Oszillator betreibt gewissermaßen seine eigene Uhr. Oszillator und Schwingquarz können entweder in Serie oder parallel miteinander geschaltet werden.

Wie der Schwingquarz „gestimmt" wird

An einen Quarzkristall können drei räumliche Achsen angelegt werden, die seine Struktur beschreiben. Wie in einem dreidimensionalen Koordinatensystem stehen diese Achsen senkrecht zueinander. Die x-Achse wird dabei als „elektrische Achse" bezeichnet, weil die piezoelektrischen Spannungen auftreten, wenn der Kristall in x-Richtung belastet wird. Die y-Achse wird „mechanische Achse" genannt – sie verbindet zwei gegenüberliegende Flächen des Kristalls miteinander. Die z-Achse schließlich heißt auch „optische Achse", sie zeigt von einer Kristallspitze zur gegenüberliegenden. Das Basismaterial von Schwingquarzen ist – wie nicht anders zu erwarten – Quarz. Es tritt in der Natur als Bergkristall auf. Dabei gibt es zwei Ausprägungsformen des Kristalls: Linksquarz und Rechtsquarz. Beide Formen gleichen sich völlig, sie weisen lediglich eine seitenverkehrte Kristallstruktur auf.
Heute können Quarzkristalle großer Reinheit industriell hergestellt werden. Um den eigentlichen Schwingquarz zu erhalten, werden nun mikroskopisch dünne Plättchen aus dem Kristall herausgeschnitten. Entscheidend für deren Schwingungsverhalten ist dabei der Winkel, in dem die Schnittfläche zur x-, y-, und z-Achse steht. Wenn man dieses Schwingungsverhalten als gegeben nimmt, ist die resultierende Schwingfrequenz nur noch von der Dicke bzw. der Größe des Quarzplättchens abhängig. Durch peinlich genaue Dimensionierung wird es also tatsächlich „gestimmt" wie eine Gitarrensaite.

Taktgeber aus Quarz

„Längenschwinger" oder „Dehnungsschwinger" sind Quarzplättchen, deren Schwingung sich in einer Längenänderung entlang ihrer größten Ausdehnung äußert. Diese wird angeregt durch eine Spannung, die senkrecht zur Schwingungsrichtung (also an den Flächen des Plättchens) angelegt wird. Ausgehend von der Mitte des Plättchens breitet sich nun eine mechanische Welle im Material aus, die an den Rändern des Kristalls eine Totalreflexion erfährt. Sofern das Plättchen genau die richtige Länge hat (ein Vielfaches der halben Wellenlänge), dann verstärken sich hin- und rücklaufende Schwingung, und es entsteht eine stehende Welle. Bei sogenannten Biegeschwingern wird durch geeignete Positionierung der Elektroden eine Biegung des Kristalls erzwungen. Eine Sonderform des Biegeschwingers bilden gebogene Quarzkristalle, die zusätzlich eine Biegeschwingung ausführen – etwa wie eine Stimmgabel. Sie werden vorwiegend als Taktgeber für Quarzuhren verwendet.
Bei „Dickenscherschwingern" äußert sich die Schwingung ähnlich wie an der Taille einer Bauchtänzerin: Die beiden Oberflächen des Plättchens, das in diesem Fall rund ist, verschieben sich gegeneinander. Dickenscherschwinger werden am weitaus häufigsten für Frequenzen oberhalb von 1 Mhz eingesetzt. Bis ca. 20 Mhz wird dabei die Grundwelle genutzt. Durch gezieltes Erzeugen und Abgreifen höherer Oberwellen sind Frequenzen bis ca. 250 Mhz möglich. Dickenscherschwinger sind besonders unempfindlich gegen Störeinflüsse und liefern daher eine besonders stabile Frequenz.

Herstellung von Schwingquarzen

Seit den 50er Jahren werden Schwingquarze nicht mehr aus natürlich vorkommendem Bergkristall, sondern aus industriell „gezüchtetem", künstlichem Quarz gewonnen. In Autoklaven wird der natürliche Entstehungsprozess des Quarzes nachgebildet. Unter hohen Temperaturen und Drücken kann so ein Kristallwachstum von 0,2 bis 1 mm pro Tag erreicht werden. Das Ergebnis eines 40- bis 60-tätigigen Wachstumsprozesses ist ein Einkristall von ca. 20 cm Länge und bis zu 50 mm Dicke.
Einkristall bedeutet, dass die Kristallstruktur sich ohne Verwerfungen oder Brüche über den gesamten Körper des künstlichen Kristalls erstreckt. Verunreinigungen und Lufteinschlüsse können vollständig vermieden werden. Aus dem Kristall werden nun in einem genau definierten Winkel zu den drei räumlichen Achsen Plättchen herausgeschnitten. Das geschieht mit Band- oder Kreissägen, deren Schnittwinkel mit einer speziellen Röntgen–Messmethode bis auf eine Bogenminute genau eingestellt werden kann. Die Plättchen sind zunächst viel größer als das Endmaß des Schwingquarzes. Sie werden stapelweise verkittet und anschließend auf das richtige Maß gebracht. Durch sehr genaues Schleifen (Läppen) wird dabei eine hohe Genauigkeit erreicht. Nach dem Trennen der Stapel werden nun durch Ätzverfahren die einzelnen Plättchen („Blanks") auf die korrekte Dicke gebracht. Dabei werden höchste Anforderungen an Ebenheit und Parallelität der Oberflächen angelegt. Das ist besonders bei industrieller Massenproduktion eine technologische Herausforderung.
Im letzten Produktionsschritt werden die Resonatoren kontaktiert, das heißt, die Elektroden werden angebracht. Diese Elektroden sind meist aus Silber und das Kontaktieren geschieht durch Aufdampfen. Bei diesem Arbeitsschritt erfolgt gleichzeitig eine Feinjustierung der Resonanzfrequenz durch leichte Variation der Dicke des aufgedampften Materials. Eine abschließende Lagerung bei Temperaturen um 200 Grad Celsius bewirkt eine Voralterung. So wird vermieden, dass der Schwingquarz während des Betriebs seine Eigenschaften, insbesondere seine Taktfrequenz, auf ungewollte Weise ändert. Der vorgealterte Resonator wird nun in ein Gehäuse eingebaut, das luftdicht verschlossen ist und damit einen zusätzlichen Schutz vor Oxidation sowie Umwelteinflüssen bietet. Das Produktionsvolumen der weltweit hergestellten Schwingquarze beträgt ca. 4 Milliarden Dollar pro Jahr. Das Gesamtgewicht der dafür benötigten Rohkristalle geht in den Bereich von Millionen Tonnen.

Funkquarze in unserem Alltag

RC-Piloten können ein Lied davon singen: Funkquarze leben nicht ewig. Als Ersatzteil für eine Funkfernsteuerung können Sie bei eBay Quarze für alle gängigen Funkfrequenzen kaufen. Dabei sind moderne Funkquarze zwar auf eine bestimmte Frequenz geeicht, können jedoch in einem relativ breiten Frequenzband um diese Standardfrequenz herum genutzt werden. Wenn Sie Amateurfunker sind, haben Sie eventuell ein ähnliches Problem: Funkquarze altern trotz der beschriebenen Vorsichtsmaßnahmen während der Produktion. Die Preise für passenden Ersatz sind jedoch durch eine ausgereifte Massenproduktion über viele Jahre hinweg so gesenkt worden, dass der Neuerwerb kein finanzielles Problem darstellt, sondern eher eine Frage des Suchens und Findens ist.

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