Wie funktioniert ein Oberton-Quarz?

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Nahaufnahme aus der industriellen Produktion von SMD-Quarzen

Eine schnelle und reibungslose Datenübertragung ist heutzutage das A und O. Netzwerk- und Server-Systeme sind darauf ausgelegt, Informationen in Windeseile zu verarbeiten und weiterzuleiten. Damit dies gelingt, sind zahlreiche dieser Applikationen auf Frequenzen im dreistelligen Megahertz-Bereich angewiesen.

Derart hohe Frequenzen können mit einem AT-Quarz im Grundton nicht erzeugt werden. Quarzscheiben mit einer Grundton-Frequenz von 40 bis 50 Megahertz sind zwar realisierbar, jedoch ist deren Produktion mit erheblichem Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden. Aus diesem Grund kommen ab einer Frequenz oberhalb von 20 Megahertz in der Regel sogenannte „Oberton-Quarze“ zum Einsatz. 

Grundton vs. Oberton

Jede Quarzscheibe verfügt neben ihrem Grundton, sozusagen ihrer „Basisfrequenz“, über mehrere Obertöne. Wird die Quarzscheibe unter Spannung gesetzt, schwingt sie auf ihrem Grundton. Dabei werden auch die Obertöne angeregt. Deren Signal ist aber deutlich schwächer als das des Grundtons und oftmals nicht mehr als gewöhnliches Phasenrauschen.

Durch geschickte Konstruktion der Oszillator-Schaltung kann anstelle des Grundtons des Quarzes auch sein Oberton angesteuert werden. Hierzu wird ein weiterer Schwingkreis in die Oszillator-Schaltung eingebaut. Dadurch wird das Oberton-Signal des Quarzes gezielt verstärkt.

Auf diese Art und Weise lassen sich aus einem Quarz Frequenzen weit oberhalb seines Grundtons „herauskitzeln“. Schwingt ein Quarz im Grundton beispielsweise mit 20 Megahertz, sind es im dritten Oberton 60 Megahertz und im fünften Oberton sogar 100 Megahertz. Aufgrund der elektronischen Eigenschaften der Oszillator-Schaltung, können Obertöne nur im ungeraden ganzzahligen Bereich angeregt werden.

Wie schwingt ein Oberton-Quarz?

Schematische Darstellung eines Dickenscherschwingers
Schwingform eines Dickenscherschwinger-Quarzes im Grundton

Bleibt noch die Frage nach der Schwingform eines Oberton-Quarzes. Dies muss man sich vorstellen wie ein Vielfaches der Grundton-Schwingform.

Nehmen wir als Beispiel den Dickenscherschwinger. Unter Spannung gesetzt, bewegen sich im Grundton Ober- und Unterseite des Quarzes gegengleich. Im Oberton schwingen dagegen nicht nur Ober- und Unterseite des Quarzes, sondern zusätzlich Molekularschichten in seinem Inneren. Auch diese Schichten bewegen sich gegengleich, genau wie Ober- und Unterseite im Grundton. Der Quarz schwingt also nicht nur an seiner Außenseite, sondern sozusagen „in sich selbst“.

Bildlich gesprochen kann man sich einen Oberton-Quarz vorstellen wie ein an einer langen Kette befestigtes Pendel. Im Grundton schwingt nur das Pendel, im Oberton dagegen schwingen zusätzlich noch die einzelnen Kettenglieder.

Frequenzen von bis zu 250 Megahertz  

Ein auf seinem Oberton angesteuerter Quarz kann eine Frequenz von bis zu 250 Megahertz erzeugen – und schafft so die perfekte Grundlage für eine schnelle Datenübertragung in der Kommunikationstechnologie.


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