Ofenstabilisierte Quarzoszillatoren Trends bei hochpräzisen Oszillatoren

Ofenstabilisierte Quarzoszillatoren der Serie IQOV-90
Ofenstabilisierte Quarzoszillatoren der Serie IQOV-90

Die Benutzer mobiler Kommunikationssysteme bewegen sich sehr häufig von einer Funkzelle zur nächsten. Damit die Verbindung bestehen bleibt, während Benutzer sich bewegen, müssen die Funkzellen untereinander verbunden sein. Darüber hinaus müssen die Funkzellen zur Übergabe untereinander synchronisiert sein, und für diese Synchronisation sorgt ein hochpräziser, in der Regel thermostatisierter Quarzoszillator (OCXO).

Für mobile Kommunikationssysteme werden typischerweise OCXOs im Frequenzbereich von 10 bis 40 MHz eingesetzt. Je nach erforderlicher Systemleistung können auch hochpräzise TCXOs oder, für sehr hohe Genauigkeiten, ein GPS-basiertes Synchronisationsmodul gewählt werden. Letzteres enthält einen OCXO, der über ein GPS-Signal synchronisiert wird.

Wichtigkeit des Quarzes

Der wichtigste Faktor für die Stabilität eines OCXO ist der Schwingquarz. Bei hochpräzisen OCXOs wird ein SC-Schnitt-Quarz verwendet, für Frequenzen von 10 MHz typischerweise ein Quarz im 3. Oberton. Quarze im 3. Oberton werden Grundwellenquarzen vorgezogen, weil durch die größere Dicke des Blanks eine höhere Stabilität gegeben ist. Die Blankdicke verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz des Quarzes: Je dicker der Blank, desto besser die Stabilität.

Stabilität ist für diese Zwecke genauer zu definieren: Ein Aspekt der Stabilität, die sogenannte Alterung, wird über längere Zeiträume wie Tage, Monate oder Jahre hinweg betrachtet. Typisch für einen 10-MHz-OCXO sind 50 ppb pro Jahr. Wirklich gute Werte liegen im Bereich von 20 bis 30 ppb pro Jahr. Dieser Faktor ist sehr wichtig, um die Systemstabilität über eine lange Betriebszeit hinweg definieren zu können.

Für kurze Zeitabschnitte von etwa 1 bis 100 Sekunden ist die Kurzzeitstabilität (Short Term Stability) ein wesentlicher Faktor. Die Kurzzeitstabilität wird im Zeitbereich als Allan-Varianz oder im Frequenzbereich als Phasenrauschen definiert. Verursacht wird dies durch Instabilitäten des Quarzes. Für gute Kurzzeitstabilität ist ein Quarz mit hoher Güte (Q-Faktor) notwendig. Die Güte wiederum ist abhängig von Schwingungsmode des Quarzes, Frequenz, Bauform und einigen anderen - während des Herstellungsprozesses des Quarzes definierten - Parametern wie Oberflächenrauheit, Material der Elektroden und Qualität des Rohmaterials, aus dem das Quarzblank geschnitten wird.

Ein Quarz im 3. Oberton weist eine höhere Güte auf als ein Grundwellen-Quarz mit derselben Frequenz. Bei einem 5. Oberton-Quarz mit derselben Frequenz ist die Güte ebenfalls besser. Allerdings ist der Widerstand höher. Die Herstellung von niederfrequenten Quarzen im 5. Oberton ist somit sehr schwierig. Zudem kann der hohe Widerstand des Quarzes Probleme in der Oszillatorschaltung verursachen und eventuell einen stabilen Betriebszustand beeinträchtigen.

Für höhere Frequenzen im Bereich über 50 MHz sind SC-Schnitt-Quarze im 5. Oberton am besten geeignet, um hohe Stabilität zu erzielen. Bei 3. Oberton-Quarzen verringert sich die Güte, und auch die Alterung ist im Vergleich zum 5. Oberton schlechter.

In der Regel sind 5. Oberton-Quarze also die beste Wahl für höhere Frequenzen. Jedoch sind hierfür umfassende Entwicklungsarbeiten im Hinblick auf Quarzdesign und -produktion notwendig, um solche Quarze mit engen Toleranzen herstellen zu können. Theoretisch ist auch die Nutzung von Quarzen in höheren Obertönen wie dem 7. oder 9. möglich. Diese sind jedoch sehr schwierig herzustellen und zu messen. Auch das Oszillatordesign ist aufgrund des hohen Widerstands und der niedrigen Ziehfähigkeit dieser Quarze äußerst kompliziert. 

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Temperaturstabilität. Bei OCXOs wird diese hauptsächlich durch die Thermostatisierung und Temperaturregelung der Schaltung bestimmt. Darüber hinaus ist es sehr wichtig, dass der Quarz am Umkehrpunkt eine enge Abgleichtoleranz aufweist, da die Abgleichbarkeit eines 5. Oberton-Quarzes geringer ist als die eines 3. Oberton-Quarzes.