Magnetkerne für Kommunikationsprodukte: Der praktische Weg von den Materialien zu den Anwendungen

Shenzhen VIIP Electronics

Magnetkerne sind entscheidende magnetische Bauteile in Kommunikationshardware und übernehmen Kernfunktionen wie Signalübertragung, Stromwandlung, galvanische Trennung, Filterung und Unterdrückung elektromagnetischer Störungen. Sie finden sich überall: in Leistungsmodulen für 5G-Basisstationen, Hochgeschwindigkeitsschnittstellen von Rechenzentrums-Switches, optischer Kommunikationshardware (OLT/ONU) und Ladeadaptern für Endnutzer. Obwohl sie selten wahrgenommen werden, sind sie nicht die Hauptkomponenten eines Kommunikationssystems – dennoch bilden sie das Fundament im Hintergrund, das den zuverlässigen Betrieb dieser Hauptkomponenten gewährleistet.

Hohe Anforderungen durch Kommunikationsbetriebsumgebungen

Kommunikationssysteme entwickeln sich stetig weiter hin zu höheren Betriebsfrequenzen, Miniaturisierung und höherem Integrationsgrad, was wiederum technische Verbesserungen an Magnetkernmaterialien erfordert. Traditionelle Mangan-Zink-Ferrite (Mn-Zn) liefern im Megahertzbereich akzeptable Leistungen. Steigen die Betriebsfrequenzen jedoch auf Hunderte von Megahertz oder gar Gigahertz, kommt es bei diesen Kernen zu drastisch erhöhten Leistungsverlusten, was einen übermäßigen Temperaturanstieg und einen starken Effizienzverlust zur Folge hat.

Nickel-Zink-Ferrite (Ni-Zn-Ferrite) bieten dank ihres hohen spezifischen Widerstands Vorteile bei hohen Frequenzen und ermöglichen den Betrieb bis zu mehreren hundert Megahertz. Ihre relativ geringe Permeabilität schränkt jedoch den Einsatz in Szenarien ein, die hohe Induktivitätswerte erfordern.

Gleichzeitig stehen Kommunikationsgeräte vor immer strengeren Anforderungen an Größe und Leistungsdichte. In den beengten Gehäusen von Basisstationsnetzteilen müssen Magnetkerne eine höhere Belastbarkeit bei reduziertem Platzbedarf gewährleisten. Dies hat die Entwicklung von Magnetik-Integrationstechnologien vorangetrieben: Transformatoren, Induktivitäten und Gleichtaktdrosseln werden in einzelnen Bauteilen kombiniert, um die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren und das Leiterplattenlayout zu vereinfachen.

Die Materialauswahl setzt die Leistungsgrenze für magnetische Kerne in Kommunikationsqualität.

Drei Hauptmaterialfamilien dominieren die Magnetkernkonstruktionen für Kommunikationshardware. Die erste Familie umfasst Weichferrite, vorwiegend Mn-Zn- und Ni-Zn-Ferrite. Mn-Zn-Ferrite zeichnen sich durch hohe Permeabilität aus und eignen sich für Gleichtaktinduktivitäten und Filtertransformatoren im mittleren bis niedrigen Frequenzbereich. Ni-Zn-Ferrite sind besonders für hohe Frequenzen geeignet und werden in Hochfrequenzinduktivitäten und Hochfrequenzdrosseln eingesetzt.

Die zweite Kategorie umfasst amorphe und nanokristalline weichmagnetische Legierungen. Diese Werkstoffe sind frei von Kristallkörnern und Korngrenzen und zeichnen sich durch hohe Permeabilität, geringe Verluste und solide thermische Stabilität aus. Ihre Verwendung in Hochfrequenztransformatoren und Leistungsinduktivitäten für Kommunikationsnetzteile hat sich rasant verbreitet.

Drittens gibt es metallische weichmagnetische Pulverkerne, darunter Eisenpulverkerne und Fe-Si-Al-Kerne. Diese weisen eine stabile Permeabilität über verschiedene Frequenzbereiche auf und zeigen ein günstiges Verhalten bei Gleichstromvorspannung, wodurch sie sich gut für PFC-Induktivitäten und Ausgangsfilterinduktivitäten eignen.

Die Materialwahl hat direkten Einfluss auf die EMV-Eigenschaften von Kommunikationsgeräten. Für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung müssen Magnetkerne in den relevanten Störfrequenzbändern eine hohe Impedanz aufweisen, um unerwünschte Störenergie in Wärme umzuwandeln und gleichzeitig die Einfügungsdämpfung für Nutzsignale zu minimieren. Dies erfordert eine präzise Anpassung des Impedanz-Frequenz-Profils des Kerns an das tatsächliche Störspektrum.

Die Substitution durch inländische Anbieter beschleunigt sich, während in den High-End-Segmenten weiterhin Lücken bestehen.

Hochwertige magnetische Bauteile wurden im Rahmen nationaler Richtlinien als wichtige elektronische Basiskomponenten eingestuft. Klare Anreize sollen Hersteller von Kommunikationsgeräten dazu bewegen, lokale Zulieferer zu bevorzugen. Das gestiegene Bewusstsein für die Sicherheit der Lieferkette hat chinesische Hersteller dazu veranlasst, sich stärker in die Lieferketten für Kernkomponenten einzubringen.

Branchenführer wie Hengdian DMEGC und TDK-Tiantong erzielen weiterhin Durchbrüche bei Mn-Zn-/Ni-Zn-Ferriten und nanokristallinen Materialien. Spezialisten für amorphe und nanokristalline Legierungen wie Jiangxi Dayou Technology haben sich ebenfalls eine feste Position auf dem Markt für Kommunikationsstromversorgungen erarbeitet.

Dennoch dominieren internationale Schwergewichte wie das japanische Unternehmen TDK, das US-amerikanische Unternehmen Magnetics und das deutsche Unternehmen EPCOS weiterhin den Markt für hochwertige Kommunikationsmagnetik. Chinesische Hersteller weisen gegenüber den globalen Marktführern deutliche Defizite auf, insbesondere bei der Entwicklung verlustarmer Hochfrequenzmaterialien und präzisen Fertigungsprozessen. Bestimmte hochwertige Magnetpulver-Rohstoffe sind nach wie vor teilweise importabhängig, was einen echten Engpass darstellt und den Fortschritt der heimischen Industrie hemmt.

Als Spezialist für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) liefert Shenzhen VIIP Electronics EMV-Unterdrückungsmagnetkerne und Netzanschlussfilter für Kommunikationshardware, Netzwerkgeräte und Telekommunikationsinfrastruktur. Unser Portfolio umfasst Gleichtaktdrosseln, Filterkerne und aufsteckbare EMV-Ferritringe und bietet damit praxisnahe, sofort einsatzbereite Lösungen für die EMV-Technik in Kommunikationsprodukten.

Der Wettbewerb um Magnetkerne für die Kommunikationstechnik ist im Kern ein umfassender Wettstreit um Materialwissenschaft, Fertigungskompetenz und praktisches Anwendungswissen. Hersteller, die das optimale Gleichgewicht zwischen verlustarmer Hochfrequenzleistung und Miniaturisierung finden, werden sich Schlüsselpositionen in der Kommunikationsinfrastruktur der nächsten Generation sichern.