Die Nachfrage nach drahtloser Wireless-Connectivity ist in den vergangen zehn Jahren gravierend gestiegen. Eine Vielzahl von Produkten im Consumer-Elektronik-Segment ist mittlerweile mit drahtlosen Übertragungsfunktionen nach den populären Standards Bluetooth und Wi-Fi ausgestattet. Früher war es üblich, entsprechendes Zubehör an Mobiltelefone und Tablets anzuschließen, doch das Internet der Dinge lässt die Konnektivitätsanforderungen weiter zunehmen. Mehr und mehr dienen Smartphones als Gateway oder Verbindungs-Hub für Consumer-Produkte wie Fitness-Monitore oder Hausgeräte. Home-Gateways dagegen müssen als Host für mehrere drahtlose Protokollstandards und viele unterschiedliche Arten von Edge-Knoten und Consumer-Hausgeräte dienen.

Eckdaten

Sie müssen klein sein und auf ±20 ppm genau arbeiten, sollten aber einen möglichst kleinen Serienwiderstand (ESR) aufweisen. Da der ESR größer wird je kleiner der Quarz ist, gilt es den verfügbaren Bauraum möglichst ideal zu nutzen. Murata hat hierfür eine eigene Technik entwickelt.

Bluetooth und Wi-Fi sind die bevorzugten drahtlosen Übertragungslösungen für solche Anwendungen. Mit einer niedrigeren Übertragungsrate als Wi-Fi ist Bluetooth für die Übertragung relativ kleiner Datenmengen über kurze Distanzen konzipiert. Beide Technologien ergänzen sich ideal.

Präzise Frequenz

Jeder drahtlose Transceiver ist für die zuverlässige Kommunikation mit anderen Systemen auf eine präzise Frequenzquelle angewiesen. Nahezu immer liefert ein Quarz das Referenzsignal, von dem das Funksystem die Sende- und Empfangsfrequenzen ableitet. Quarze müssen extrem genau sein, um die Anforderungen der jeweiligen drahtlosen Übertragungsstandards zu erfüllen. In der Regel wird eine Genauigkeit in der Größenordnung von ±20 ppm gefordert. Doch Temperatur, Alterung und Frequenzschwankungen beeinflussen die Genauigkeit eines Quarzes.

Da eine zunehmende Anzahl von Zubehörprodukten (zum Beispiel Wearables) mit drahtlosen Kommunikationsfunktionen ausgestattet wird, besteht eine wachsende Notwendigkeit, die benötigten Bauelemente – darunter auch die hochgenauen Quarzeinheiten – immer weiter zu miniaturisieren.

Großer Quarz im kleinen Gehäuse

Zu den wichtigsten Kenndaten einer Quarzeinheit gehört der äquivalente Serienwiderstand (Equivalent Series Resistance, ESR). Ist der ESR einer Quarzeinheit gering, so hilft dies dem Designer beim Auswählen eines ICs und bei seiner Abstimmung auf die Quarzeinheit. Der ESR einer Quarzeinheit ist im Wesentlichen umgekehrt proportional zur Größe des Quarzelements. Je weiter man also die Quarzeinheiten miniaturisiert, umso größer wird der ESR.

Murata führte deshalb im Jahr 2009 die Cap-Chip-Struktur ein und verwendete sie in den Ceralock-Keramikresonatoren: Das Unternehmen setzt hier einen Metalldeckel auf eine einfache Keramikplatte und ermöglicht damit eine hohe Raumausnutzung im Gehäuseinneren. Auf diese Weise lässt sich ein größeres Quarzelement einbauen als bei den sonst üblichen Quarzeinheiten. Dementsprechend ist der ESR geringer als bei anderen Quarzeinheiten ähnlicher Größe.

Bild 1: In die XRCGD-Serie (rechts) passt dank cleverer Gehäusetechnik ein größerer Quarz als beim traditionellen Aufbau (links).

Bild 1: In die XRCGD-Serie (rechts) passt dank cleverer Gehäusetechnik ein größerer Quarz als beim traditionellen Aufbau (links). Murata

Ein Beispiel sind die für drahtlose Kommunikationsanwendungen konzipierten Quarzeinheiten der XRCGD-Serie (Bild 1). Die luftdichte Struktur ist mithilfe einer Legierung zwischen Metalldeckel und Substrat hermetisch versiegelt. Damit gelang es, die Auswirkungen von Temperatur und Alterung auf die Frequenz gegenüber den konventionellen Produkten des Unternehmens zu minimieren. Das Resultat ist eine hohe Frequenzgenauigkeit, wie sie von Taktquellen für die drahtlose Kommunikation gefordert wird.

Auswahlkriterien

Bei der Auswahl einer Quarzeinheit für ein drahtlos kommunizierendes Design müssen Designer eine ganze Reihe von Kriterien beachten. Ein wichtiger Aspekt sind die Abmessungen, die in hohem Maße davon bestimmt werden, wie gut der Hersteller den Platz im Quarzbaustein nutzt. Idealerweise verwendet das Bauelement ein flaches Substrat oder eines, das dank einer Metallversiegelung eine luftdichte Struktur aufweist. Beide Techniken tragen zum Erreichen einer hohen Frequenzgenauigkeit bei.

Bild 2: Die Quarzbausteine der XRCFD/XRCMD-Serie von Murata sind nur 1,6 × 1,2 mm² groß.

Bild 2: Die Quarzbausteine der XRCFD/XRCMD-Serie von Murata sind nur 1,6 × 1,2 mm² groß. Murata

In Bild 2 ist das äußere Erscheinungsbild der XRCFD/XRCMD-Serie von Murata zu sehen. Die nur 1,6 × 1,2 mm2 großen Bausteine bieten eine Frequenzgenauigkeit von ±20 ppm und sind für den Einsatz in einer breiten Palette von drahtlosen Anwendungen und Prozessorsystemen geeignet.

Gesund schrumpfen

Drahtlose Wireless-Connectivity-Funktionen stecken nicht nur in Smartphones und Tablet-Computern, sondern auch in Audio/Video-, Büroautomations- und Consumer-Elektronik sowie vielen weiteren Geräten. Wegen der wachsenden Funktionsvielfalt müssen die verwendeten Bauteile eine immer größere Packungsdichte aufweisen. Ebenso wie bei Wearable-Produkten und ähnlichen Geräten ist auch hier eine Reduzierung der äußeren Abmessungen dringend gewünscht. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird eine neue Generation von Timing-Bausteinen auf den Markt kommen. Dazu gehören beispielsweise Keramik-Resonatoren mit eingebauten Thermistoren und temperaturkompensierte Quarz-Oszillatoren (TCXOs).