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Forum: HF, Funk und Felder Nanoelektromechanische Antennen


Autor: Christoph B. (birki2k)
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Forschern ist es gelungen, bis zu 100-mal kleinere Antennen im Vergleich zu üblichen Strukturen herzustellen. Dies dürfte neben der Miniaturisierung tragbarer Geräte vor allem Anwendungen im Medizinbereich zugutekommen.

Kompakte Antennen sind klassischerweise resonant zu elektromagnetischen Wellen. Dies hat zur Folge, dass sich die Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge bewegen. Da sich elektromagnetische Wellen im Freiraum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, treten hier sehr hohe Wellenlängen auf. Besonders bei Frequenzen im MHz-Bereich macht sich dies durch große Abmessungen der Antennenstrukturen bemerkbar.

Bei Schallwellen kommt es hingegen aufgrund der geringen Schallgeschwindigkeit zu vergleichsweise kleinen Wellenlängen bei gleicher Frequenz. Dadurch lassen sich resonante Strukturen mit deutlich geringeren Abmessungen realisieren. Dies wird etwa seit geraumer Zeit bei SAW-Filtern genutzt. Neu sind hingegen magnetisch-piezeoelektrische Heterostrukturen, die eine effiziente Kopplung zwischen Magnetfeld, akustischen Volumenwellen und elektrischer Spannung ermöglichen.

Bei den neuartigen Antennen werden in einer solchen piezoelektrischen Halbleiterstruktur zunächst mechanische Volumenwellen durch eine angelegte Wechselspannung erzeugt. Bei akustischer Resonanz kommt es zur Schwingung des auf dem Resonator aufgebrachten ferromagnetischen Dünnfilms. Dies wiederum führt zur Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle. Umgekehrt hat ein magnetisches Wechselfeld die akustische Anregung des Resonators und damit die Erzeugung einer Spannung durch den piezoelektrischen Effekt zur Folge.

Die Realisierung solcher Antennen für übliche Frequenzbänder ist nun erstmals gelungen. So werden Miniaturantennen für Frequenzen zwischen 60 MHz und 2,5 GHz vorgestellt. Da die Frequenzabstimmung über die Skalierung der Strukturweite möglich ist, lässt sich eine Vielzahl von Frequenzbändern in einem Chip integrieren. Hier sind durch Kombinationen auch breitbandige Arrays denkbar.

Derartige Antennen könnten es in Zukunft ermöglichen, die Größe von Wearables, IoT-Geräten, Mobiltelefonen und medizinischen Applikationen deutlich zu reduzieren. In der Medizintechnik sind vor allem implantier- und injizierbarer Elektronik als Einsatzfeld zu nennen.

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: Verschoben durch Admin
Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Christoph B. schrieb:
> bis zu 100-mal kleinere Antennen im Vergleich zu üblichen Strukturen

Wir haben hier ein IoT-System welches aktuell mit 2.4GHz arbeitet, weil 
diese Strahlung aber recht gut von Bäumen und feuchter Erde absorbiert 
wird wollten wir einen andere, viel niedrigere Frequenz nutzen die aber 
eben auch größere Antennen erfordert.

Das Problem hier bei ist dass wir die Antennengröße zwar senken können, 
aber dadurch sinkt ganz einfach auch die abstrahlbare Leistung und die 
Empfindlichkeit.

Wir haben es natürlich auch getestet, aber die Physik lässt sich eben 
nicht überlisten.

Der verlinkte Artikel ist interessant, aber ich habe keine 
Vergleichswerte gefunden.
Wenn ich jetzt meinetwegen einen Lambda/4 Monopol nutze und das 
Funkmodul damit eine Empfindlichkeit von -110dbm besitzt, wie verhält 
sich das dann bei der neuen Technologie?
Ist dann eine gleich lange Piezo-Antenne 100 mal empfindlicher?
Was ist wenn ich die Piezo-Antennengröße auf meinetwegen Lambda/100 
reduziere?

http://winfuture.de/news,99257.html


Es steht auch noch in den Sternen ob das nicht wieder solch eine 
Sensationsmeldung ist hinter der letztendlich nichts steht.

Es gibt auch scheinbar noch keine Firma die etwas dahingehend entwickelt 
oder gar Samples anbietet damit wir es evaluieren können.

Autor: Christoph B. (birki2k)
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Mike J. schrieb:
> Wir haben hier ein IoT-System welches aktuell mit 2.4GHz arbeitet, weil
> diese Strahlung aber recht gut von Bäumen und feuchter Erde absorbiert
> wird wollten wir einen andere, viel niedrigere Frequenz nutzen die aber
> eben auch größere Antennen erfordert.
>
> Das Problem hier bei ist dass wir die Antennengröße zwar senken können,
> aber dadurch sinkt ganz einfach auch die abstrahlbare Leistung und die
> Empfindlichkeit.

Eine klassische Antenne wird man nur bis zu einer bestimmten Größe 
vernünftig abstimmen können. Das ist physikalisch maßgeblich abhängig 
von der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der 
elektromagnetischen Welle in der Antenne. Wenn man klein werden will, 
existieren zwar ein paar Tricks, das geht dann aber prinzipiell mit 
einer Verschlechterung der Antennenparameter einher. Irgendwann wird ist 
dann auch kaum mehr von einer Antenne zu sprechen.

Der Unterschied bei der jetzt vorgestellten Antenne ist, dass diese 
physikalisch betrachtet anders funktioniert und dadurch größentechnisch 
abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle ist. 
Dadurch kann die Antenne viel kleiner und dennoch vernünftig abgestimmt 
werden. Von austricksen würde ich an der Stelle also nicht unbedingt 
sprechen.

Der Vollständigkeit halber kann man sich an der Stelle noch überlegen, 
dass eine große Fläche vorteilhaft sein kann, um einer Leistungsdichte 
Leistung zu entnehmen. Das nutzt man etwa bei Parabol- oder 
Linsenantennen. Bei Antennen für Funkmodule ist das aber das geringere 
Problem.

Mike J. schrieb:
> Der verlinkte Artikel ist interessant, aber ich habe keine
> Vergleichswerte gefunden.

Bei der 2,5 GHz Antenne ist von -18 dBi die Rede, somit 50 dB (=Faktor 
100.000) mehr als das, was man mit einer Loop-Antenne der gleichen Größe 
erreichen würde. Wenn man eine hohe Reichweite erzielen will, reißen 
-18dBi sicher niemanden vom Hocker.

Im Vergleich zu einem λ/2-Dipol hast du also 20dB weniger am Eingang 
deines Empfangsmoduls (bei je optimaler Ausrichtung). Ob dir das dann 
noch reicht ist eine andere Frage. Falls du den Platz für eine 
klassische Antenne hast und auf Reichweite angewiesen bist, lohnt das 
also kaum. Wenn du den Platz nicht hast, wird das aber recht 
interessant. Denkt man beispielsweise an Implantate oder Miniaturmodule, 
werden auch Keramikantennen für <1GHz schnell unhandlich.

Mike J. schrieb:
> Es gibt auch scheinbar noch keine Firma die etwas dahingehend entwickelt
> oder gar Samples anbietet damit wir es evaluieren können.

Da dies die erste Veröffentlichung mit entsprechenden Resultaten zu dem 
Thema ist, ist es noch recht früh, um hier Schlüsse zu ziehen. Es ist 
aber generell nicht ungewöhnlich, dass bei solchen Entwicklungen bis zum 
praktischen Einsatz etwas Zeit vergeht.

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Christoph B. schrieb:
> werden auch Keramikantennen für <1GHz schnell unhandlich.

In den Sub-1GHZ-Bereich wollten wir eigentlich schon letztes Jahr 
vordringen und die Möglichkeiten nutzen.
Bei uns geht es um 169MHz für Geräte die mit Hilfe des wM-Bus Daten 
austauschen. Lambda/2 sind da schon 89cm und die Geräte sind so groß wie 
eine Kreditkarte. Wir haben einfach mal alle möglichen Antennenformen 
und Typen probiert die wir so in die Finger bekamen oder die wir auch 
selbst hergestellt haben.
Durch die niedrigere Frequenz waren die Ergebnisse bei der selben 
Sendeleistung teilweise ganz gut, aber der Aufwand diese Antenne zu 
fertigen und zu integrieren war recht hoch.
Beim Empfang waren diese Antennen aber nicht gut genug.

Ich bin echt gespannt wann hier einer einen Link zu dem ersten 
verfügbaren Muster dieser Antennen (es wird wahrscheinlich auf in Chips 
integrierte Antennen hinauslaufen) postet.

Autor: Marc Horby (marchorby)
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Und jetzt bauen wir mal ein Array mit den Dingern! Da kommt einiges an 
EIRP zusammen!

Autor: Horst (Gast)
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Autor: Andreas M. (andreas_m62)
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Wie sieht es denn mit der Richtwirkung bei solchen Mini-Antennen aus?

Autor: Wolfgang Horn (Firma: AknF) (wolfgang_horn)
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Genau richtig, Mike,

> Der verlinkte Artikel ist interessant, aber ich habe keine
> Vergleichswerte gefunden.

Überzeugend wären halt der Antennengewinn über die Frequenz, auf einem 
kalibrierten Antennenmeßplatz gemessen.
Ferner wüßte ich gern die Resonanzbreite bei Abstimmung und die 
Gruppenlaufzeitverzerrung.
Insbesondere letzere hätte ich gern aus dem Fernfeld gemessen, denn dem 
Aufbau mißtraue ich in der Beziehung.
Die "Supergain-Antenne" war früher schon mal ein Hype. Die hatte sehr 
viele   Strahler mit Abständen deutlich unter einer Wellenlänge. Eine 
erstaunliche Bündelung kann damit schon erreicht werden, aber die 
Kopplung zwischen den strahlenden Elementen ruiniert den Antennengewinn.

Ich erinnere mich an den "Quantenrauchmotor", mit dem Investoren sehr 
viel Geld aus den Taschen gezogen wurde. Investoren, die deutlich mehr 
Geld hatten als Fachkenntnisse. Investoren, die nach Anlagemöglichkeiten 
suchten, diese eher entdecken wollten als der Zweitschnellste und daher 
nicht so genau prüften.

Für solche Betrügereien eignen sich "Innovationen", die erstens 
faszinieren und zweitens nur schwer zu prüfen sind.

Mal sehen, wann die vergleichsfähigen Messungen erfolgt sind.

Ciao
Wolfgang Horn

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)
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Gleich ach der kalten Fusion, wenn sich das Sommerloch schließt.

Namaste

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Wolfgang H. schrieb:
> Für solche Betrügereien eignen sich "Innovationen", die erstens
> faszinieren und zweitens nur schwer zu prüfen sind.

Es gab vor nicht zu langer Zeit Werbung für eine Art 
Matrix-Kondensator-Netzteil, die ATX-Netzteile sollten durch diese 
Technik auf einen Bruchteil zusammen schrumpfen.
Sah richtig seriös aus die Webseite, das Video, die Werbung ... und die 
wurden auch überall angepriesen.

Ich habe mich gefragt wo den die Spulen sind um die Spannung runter zu 
wandeln. Ob es da denn keine galvanische Entkopplung gibt.
Vielleicht so eine Art Luftspule durch die man mit der Frequenz sehr 
hoch gehen kann auf der Platine.

Hab davon nie wieder etwas gehört.


Bei de aktuellen Antenne werden diese runden Plättchen gezeigt welche 
über lange Leitungen mit einem Empfänger oder "Datenaufbereiter" 
verbunden sind. Die fangen ja auch die HF-Strahlung ein und wirken als 
Antennen.
Es wäre natürlich toll wenn das funktionieren würde, aber die gegebene 
Erklärung ist für mich nicht nachvollziehbar.
Die Physik dahinter wurde auch nicht ausreichend erklärt, so dass man 
sich davon ein klares Bild machen kann.

Autor: Wolfgang Horn (Firma: AknF) (wolfgang_horn)
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Hi, Mike,

> Bei de aktuellen Antenne werden diese runden Plättchen gezeigt welche
> über lange Leitungen mit einem Empfänger oder "Datenaufbereiter"
> verbunden sind.

Wir könnten ganz tolle Antennen mit vielen Dipolen bauen, gäbe es nur 
ein Verbindungskabel zwischen diesen, auf dem das Signal genau so 
schnell läuft wie im Vakuum.

Da es das nicht geben kann, wäre auch ein Verbindungskabel denkbar, das 
die Phase für jeden Dipl jeweils so dreht, dass sich die Ausstrahlungen 
der Dipole im Fernfeld konstruktiv überlagern. So etwas gibt es in Form 
eines Phased Array, in dem jeder Dipol einen eigenen Phasenschieber hat, 
der um +- 180° schieben kann.
Möglicherweise lässt sich das mit einer "Bulk acoustic wave" machen.

Mein Hauptlritikpunkt ist das Fehlen aussagekräftiger Messergebnisse. 
Bis die vorliegen, verschwendet jede Diskussion nur Zeit.

Ciao
Wolfgang Horn

Autor: ● J-A VdH ● (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector)
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Christoph B. schrieb:
> Bei akustischer Resonanz kommt es zur Schwingung des auf dem Resonator
> aufgebrachten ferromagnetischen Dünnfilms. Dies wiederum führt zur
> Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle.

Also ein ferromagnetischer Stoff schwingt mechanisch und sendet dadurch?
wie kommt?

macht das ein Stahldraht auch?

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Wolfgang H. schrieb:
> Bis die vorliegen, verschwendet jede Diskussion nur Zeit.
Ja, stimmt.
Ich rechne jetzt aber nicht mehr damit dass diese Technik wirklich ein 
mal realisiert wird oder realisierbar ist.

Autor: Lutz H. (luhe)
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Mike J. schrieb:
> Ich rechne jetzt aber nicht mehr damit dass diese Technik wirklich ein
> mal realisiert wird oder realisierbar ist.

Einfach die Antenne in einen Stoff einbauen, in dem die 
Lichtgeschwindigkeit 10 mal größer ist, dann wird die Antenne kleiner. 
:-)

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Lutz H. schrieb:
> in dem die
> Lichtgeschwindigkeit 10 mal größer ist, dann wird die Antenne kleiner.

3*10^8[m/s]/169000000[1/s]=1,775147929m

mit c*10 => 3*10^9[m/s]/169000000[1/s]=17,75147929m

... hmm, nein.

Die Lichtgeschwindigkeit muss 10 mal kleiner sein, dann schrumpft auch 
die Antenne um den Faktor 10.

Ist aber nicht unmöglich, nur wissen wir noch nicht wie das geht.

Autor: hinz (Gast)
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Mike J. schrieb:
> Die Lichtgeschwindigkeit muss 10 mal kleiner sein, dann schrumpft auch
> die Antenne um den Faktor 10.
>
> Ist aber nicht unmöglich, nur wissen wir noch nicht wie das geht.

Ist schon lange am Markt: Keramikantenne.

Autor: X4U (Gast)
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hinz schrieb:
>> Die Lichtgeschwindigkeit muss 10 mal kleiner sein, dann schrumpft auch
>> die Antenne um den Faktor 10.
>>

Dann muss du die Welle doch nur durch ein Medium leiten dass die 
Lichtgeschwindigkeit verringert ;-).

Autor: npn (Gast)
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Lutz H. schrieb:
> Lichtgeschwindigkeit 10 mal größer ist

Mike J. schrieb:
> Lichtgeschwindigkeit muss 10 mal kleiner sein

Nur einer kann Recht haben :-)
Hmmm, 10fache Lichtgeschwindigkeit? Zu viel StarTrek konsumiert?

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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npn schrieb:
> 10fache Lichtgeschwindigkeit? Zu viel StarTrek konsumiert?

Es ist möglich dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer konstant 
ist und auch bleibt, egal wohin man sich bewegt.
Wenn jetzt meinetwegen in unsere Galaxie hinein bewegt, dann erhöht sich 
vielleicht eine Art von Feld ... oder es verringert sich weil von allen 
Seiten ähnlich starke Kräfte ziehen und dadurch verändert sich zum 
Beispiel die Masse der Materie und damit die Beschleunigungsfähigkeit 
von Materie.

Atome sind ja letztendlich auch nur kleinste Teilchen welche durch eine 
Art Feld oder Felder zusammen gehalten werden.

Im Zentrum unserer Galaxie ist es ja bedeutend heller da sich dort viel 
mehr Sonnen befinden. Jetzt könnte man meinen dass es deshalb dort 
vielleicht lebensfeindlich ist und sich kein Leben entwickeln kann, aber 
vielleicht lebt das Leben dort nur schneller.
Für die scheint die Lichtgeschwindigkeit dann langsamer zu sein als es 
für uns der Fall ist.

... ich habe auch zu viel StarTrek konsumiert. :-D

Autor: Guido B. (guido-b)
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Mike J. schrieb:
> ... ich habe auch zu viel StarTrek konsumiert. :-D

... und halte dich von Kurt fern! ;-)

Autor: Alex W. (Gast)
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Mike J. schrieb:
> Es ist möglich dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer konstant
> ist und auch bleibt, egal wohin man sich bewegt.

> Wenn jetzt meinetwegen in unsere Galaxie hinein bewegt, dann erhöht sich
> vielleicht eine Art von Feld

Nein, die Frequenz! Sowas nennt man Dopplereffekt! Bewegt sich das 
Objekt auf dich zu, nennt man es blauverschoben! Geht es weg, 
rotverschoben! So misst man z.B. die Rotationsgeschwindigkeit einer 
Galaxie. Mann nimmt von einem Element die Spektrallinie und schaut um 
wieviel diese verschoben ist. Daraus kann man direkt berechnen wie die 
Geschwindigkeit ist.

Kann man sehr gut bei umlaufenden Satelliten beobachten

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Alex W. schrieb:
> Nein, die Frequenz! Sowas nennt man Dopplereffekt!

Ich meine mit der Bewegung nur dass man sich immer weiter in die Galaxie 
hinein bewegt, also man macht jedes mal einen Sprung von ein paar 
Lichtjahren, setzt sich dort hin und misst das "Feld" oder nur den 
Feldeffekt den man mit dem Wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit im 
Vakuum konstant ist, ermitteln kann.
Es besteht die Möglichkeit dass diese "Zeit" nur ein Effekt der 
Massenträgheit ist und sich dieser durch gravimetrische Kräfte 
verändert.

Es ist auch möglich dass ein Lebewesen in einem anderen Sonnensystem die 
Zeit anders wahrnimmt als wir es hier tun, allein durch die andere Masse 
der dortigen Sonne.

Es ist ja im Moment nicht wirklich viel bekannt da man ja nicht hingehen 
und direkt messen kann, es sind nur Theorien die sich vielleicht später 
wieder als Unsinn herausstellen könnten.

Das bedeutet dass sich zum Beispiel ein Mensch in dieser Umgebung 
(weiter drinnen in der Galaxie) schneller bewegen würde, dass 
Oxydationsprozesse schneller ablaufen und Energie viel schneller 
verarbeitet und wieder abgegeben werden kann.

Die größere Menge an Energie welche die Sonnen auf die Planeten strahlt 
wäre dann relativ zu den anderen Physikalischen Verhaltensweisen eben 
vollkommen harmlos.
Das würde allerdings auch die theoretischen Grenze für Leben innerhalb 
eines Sonnensystems verschieben, so dass die Suche nach 
extraterrestrischem Leben völlig falsche Parameter nutzt die eben auch 
falsche Resultate liefern.

Autor: Erwin Meyer (nobodyy)
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X4U schrieb:
> hinz schrieb:
>>> Die Lichtgeschwindigkeit muss 10 mal kleiner sein, dann schrumpft auch
>>> die Antenne um den Faktor 10.
>>>
>
> Dann muss du die Welle doch nur durch ein Medium leiten dass die
> Lichtgeschwindigkeit verringert ;-).

Im Schulversuch nimmt man dafür (destilliertes) Wasser. Die 
Geschwindigkeit ist ja proportional 1/sqrt(epsilon0) und Wasser hat 
niederfrequent 81, so das man den Faktor 9 erreicht.

Autor: Sapperlot W. (jetztnicht)
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> Im Schulversuch nimmt man dafür (destilliertes) Wasser. Die
Geschwindigkeit ist ja proportional 1/sqrt(epsilon0) und Wasser hat
niederfrequent 81, so das man den Faktor 9 erreicht.

Nur, dass Niederfrequent eben Niederfrequent meint. Im optischen bereich 
wird aus der Dielektrizitaetskonstante der Brechungsindex 
(Wurzel...Quadrat). Und der ist fuer Wasser noch bei 1.4 oder so.

Bei Mikrowellen absorbiert Wasser, hat aber trotzdem einen 
Brechungsindex.

Fuer mehr Werte zum Brechnungsindex, resp Dielektrizitaetskonstante, 
konsultiere man den CRC.
Wobei die Werte nicht alle Sinn machen. Ich komm fuer die 
Dielektrizitaetskonstante bei 30GHz eher auf 2 runter, nicht die 
angegebenen 12, oder so.

Autor: Erwin Meyer (nobodyy)
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Die Antennenverkürzung um den Faktor 9 zeigt sich im Bereich um 450 MHz:

http://gfs.khmeyberg.de/1011/1011Kurs13Ph3g/1011Un...

Kapitel 2010-08-17

Autor: Kurt (Gast)
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Guido B. schrieb:
> Mike J. schrieb:
>> ... ich habe auch zu viel StarTrek konsumiert. :-D
>
> ... und halte dich von Kurt fern! ;-)

Ja, der nimmt dich sonst mit.
Mit zur Realität.

 Kurt

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Hier noch etwas Hintergrund zu <optischen> Dipolantennen. Marks ist 
leider schon einige Zeit tot.
http://www.ghuth.com/a-brief-history/

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