Bildquelle: Wikipedia
Der Hertzsche Dipol (= einfache Stabantenne) ist nach dem Physiker Heinrich Hertz benannt. Dieser wurde leider nur 36 Jahre alt. Nach ihm ist die Einheit der Frequenz Hertz (1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde) benannt.
In einem elektrischen Schwingkreis bestehend aus einem Kondensator (Kapazität C) und einer Spule (Induktivität L) schwingen Elektronen von einer Kondensatorseite zur anderen. Die Frequenz dieser Schwingung beträgt f = 1/(2·π·√(L·C)). Es wechseln sich elektrisches Feld (Kondensator) und Magnetfeld (Spule) ab.
Biegt man nun den Schwingkreis zu einer Stabantenne auf, so reduzieren sich C und L drastisch. Dadurch steigt die Schwingungsfrequenz f massiv. Bei dieser sehr hohen Frequenz bilden sich elektrisches und magnetisches Feld nicht mehr zurück und werden von der Antenne in den Raum ausgestrahlt. Es entsteht dabei eine elektromagnetische Welle:
Radiowellen überstreichen einen weiten Frequenzbereich:
In meinen Experimenten hier wird es um Radiowellen mit einer Frequenz von 433 MHz gehen.
Diese liegen also im 70 cm-Band (UHF), welches für Funker freigegeben ist. Auf aliexpress habe ich mir einige Sachen gekauft, u.a. einen fertigen 433 MHz Sender, Bauteile zum Löten eines eigenen Senders und dann noch einen 433 MHz Verstärker. Beginnen wir mit dem gekauften Sender:
Um diesen zum Leben zu erwecken, muss man neben der 9V-Spannungsversorgung einfach an einen der 4 Input-DATA-pins ein HIGH (= 5 V) anlegen:
Auf seine Funktion habe ich ihn mit der Software SDRSharp von AIRSPY (https://airspy.com/download/) geprüft. Man benötigt dazu noch einen RTL-SDR USB-Stick mit Antenne:
Die Benutzeroberfläche von SDRSharp:
Hier erkennt man gut das starke Signal bei f = 433.9 MHz:
Zum Empfangen des 433 MHz-Signals benötigt man logischerweise eine Antenne. Ich habe mich für eine sehr einfache Stabantenne bestehend aus starrem Kupferdraht entschieden. Die Länge der Empfangsantenne muss auf die Frequenz des Signals angepasst sein und zwar gilt: Antennenlänge = halbe Wellenlänge λ/2. In meinem Fall muss also die Antenne eine Gesamtlänge von 34.5 cm aufweisen:
In deren Mitte habe ich eine Miniaturglühbirne mit 6V/40 mA gelötet. Diese soll mir dann den Empfang eines Signals anzeigen.
Nähere ich den Sender der Empfangsantenne bis auf 1–2 cm, so leuchtet die Glühbirne schwach auf:
Für das kleine Funkmodul benötige ich ja die zwei Spannungen +9V und +5V. Diese jeweils mit einem eigenen Netzteil bereitzustellen ist mühsam. Daher zweige ich ca. 5V mittels einer Zenerdiode und einem Vorwiderstand von der 9V Batterie ab:
Mit der Glühbirne kann ich natürlich keine quantitativen Messungen der Signalstärke machen. Daher habe ich mir folgende Schaltung überlegt:
Ohne eingeschalteten Sender zeigt das Voltmeter nahezu 0 V an:
Postiere ich den aktivierten Sender sehr knapp an der Empfangsantenne…
… so erhalte ich Spannungen über 6 V, Heureka 😉
Selbst bei größerer Entfernung des Senders kann ich nun mittels Voltmeter noch ein Signal detektieren, wenn die Glühlampe schon lange nichts mehr anzeigt. Zudem ermöglicht mir jetzt die Ausgabespannung eine schöne Quantifizierung der Signalstärke.
Damit der Empfänger wasserdicht ist, habe ich die „Elektronik“ mit 2-Komponentenkleber ausgegossen. Die Gußform baute ich mit LEGO-Teilen, Not macht ja bekanntlich erfinderisch 😉
Zuerst kam die für Luft abgestimmte 433 MHz-Antenne mit 34.5 cm Gesamtlänge zum Einsatz:
Ohne aktivierten Sender zeigte das Voltmeter nahezu 0 V an:
Das Signal an Luft betrug mit der langen Antenne ca. 5.2 V:
Danach füllte ich die Plastikbox mit Wasser, sodass sich die Antenne vollständig unter Wasser befand. Wie zu erwarten war, sank die gemessene Spannung / das Signal deutlich auf nur noch 0.66 V:
Unter Wasser war die Antenne natürlich nicht mehr abgestimmt, da ja durch den Brechungsindex n von Wasser die Wellenlänge auf λ/n sinkt. Dazu gleich mehr…
Die Wellenlänge der 433 MHz- Radiowelle beträgt also in Luft rund 69 cm. In einem Medium mit der Brechzahl n sinkt diese aber auf 1/n-tel ab. Zwischen der Brechzahl n, der relativen Permittivität εr und der relativen Permeabilität μr besteht folgender Zusammenhang: n = √(εr · μr). Für Wasser und Radiowellen mit f = 433 MHz gilt: εr ≈ 80, μr ≈ 1. Demnach beträgt der Brechungsindex n für 433 MHz-Wellen rund 9.
Bildquelle: https://www.researchgate.net/figure/Dielectric-permittivity-of-water-as-a-function-of-frequency-The-characteristic-frequency_fig1_320004392
Kurze Anmerkung: Für sichtbares Licht (= elektromagnetische Welle mit f ≈ 6 · 10^ 14 Hz = 600000 GHz) beträgt der Brechungsindex von Wasser ja ca. 4/3 = 1.33, ist also deutlich geringer als für Radiowellen. Bei einer normalen Dispersion (= Frequenzabhängigkeit einer physikalischen Größe) nimmt der Brechungsindex n mit abnehmender Frequenz f (= zunehmender Wellenlänge λ) ab. Rotes Licht wird etwa von Glas schwächer gebrochen als blaues (vgl. Glasprisma)!
Hier bei Wasser ist es aber genau umgekehrt. Die niederfrequenten Radiowellen besitzen einen höheren Brechungsindex n als das höherfrequente sichtbare Licht!
Durch den Brechungsindex n = 9 für Wasser und 433 MHz–Radiowellen beträgt die Wellenlänge in Wasser nur noch 69 cm / 9 ≈ 7.67 cm. Eine unter Wasser betriebene Antenne zum Empfang des 433 MHz Signals muss daher eine Länge von nur noch 3.84 cm (= λ/2) besitzen:
Daher habe ich mir eine zweite, nun kurze Empfangsantenne gebastelt und wieder mit 2-Komponentenkleber ausgegossen:
Mit dieser machte ich dann wieder zwei Messungen, einmal an Luft und dann unter Wasser. An Luft war nun die kurze Antenne nicht abgestimmt und das Signal fiel mit lediglich 0.06 V dementsprechend gering aus:
Dann war ich verständlicherweise schon sehr gespannt auf die zweite Messung unter Wasser. Hier sollte durch die auf Wasser abgestimmte Antenne die Ausgabespannung deutlich höher sein:
Und was soll ich sagen, mein Multimeter zeigte über 1.5 V an. Heureka…
Zusammenfassung: Während die 34.5 cm lange Antenne an Luft das deutlich höhere Signal lieferte, war dies bei der 3.9 cm kurzen Antenne unter Wasser der Fall.
Genau so hatte ich mir das Ganze erhofft. 😉
Auf Youtube bin ich über einen selbstgebauten 433 MHz-Sender gestolpert: https://www.youtube.com/watch?v=YSrp4l74yvE
Diesen habe ich nachgebaut, wobei ich die wichtigsten Teile dafür im Internet kaufte. Normalerweise sollte man bei aktiven Bauelementen wie ICs oder Transistoren Einkaufsportale wie Aliexpress wegen Fälschungen tunlichst meiden. Meine BFR93A HF-Transistoren scheinen aber ohne Probleme zu funktionieren…
Groß sind die SOT23 Transistoren nun wirklich nicht. Mal schauen, ob ich sie verlöten kann mit meinem geliebten 5 Euro Lötkolben von Conrad…
Die 433 MHz Quarzoszillatoren:
Der Schaltplan ist sehr einfach und besteht nur aus wenigen Bauteilen. Ich habe die Vorlage aus dem Youtube-Video dahingehend abgewandelt, dass nun keine Modulation des Signals mehr möglich ist. Ich benötige nämlich nur das reine 433 MHz Signal.
Bereits ohne Sendeantenne empfange ich mit meinem RTL-SDR-Stick + Empfangsantenne ein Signal:
Hier (https://crycode.de/diy-433-mhz-dipol-antenne) bin ich auf eine Anleitung zum Selbstbau einer 433 MHz-Antenne gestoßen, welche ich dann natürlich gleich umgesetzt habe. Die dazu benötigten Teile konnte ich in meinem lokalen Elektronikgeschäft (https://www.neuhold-elektronik.at/) kaufen:
Das Kabel ist ein RG-174:
Die beiden angelöteten Kupferdrähte besitzen eine Länge von je ca. 17 cm:
Mit an den 433 MHz-Oszillator angeschlossener Antenne stieg der Signalpegel deutlich auf –5 dB an:
Die Sendeleistung des Oszillators ist aber dennoch nicht gerade hoch. Daher bestellte ich auf Amazon folgenden 2 W Leistungsverstärker (engl. power amplifier oder kurz PA):
Dieser kommt aber erst Ende dieser Woche bei mir an. Im Forum auf microcontroller.net (https://www.mikrocontroller.net/forum/all) wurde mir als Alternative zu einem Leistungsverstärker ein Handfunkgerät empfohlen. Dieses liefert mit Sicherheit ein „reineres“ Signal und stört dadurch nicht andere Funkdienste, was unter Umständen auch höhere Strafen nach sich ziehen könnte. Ich habe mich für das Modell GT–5R von Baofeng entschieden. Mit Versand hat mich das gute Stück mit 5 W Leistung nur knapp über 30 Euro gekostet:
Beim Kauf kamen dann bei mir gleich Erinnerungen an meine Kindheit hoch. Von meinem Vater bekamen nämlich mein Bruder und ich in den 1970er Jahren je ein Handfunkgerät von Stabo:
Bildquelle: www.deutsches-kunststoff-museum.de
Ich kann mich noch gut daran erinnern, wie wir Verstecken gespielt haben mit Unterstützung der Funkgeräte oder wie wir uns damit wie richtige Agenten gefühlt haben 😉
Das Baofeng-Handfunkgerät ist inzwischen angekommen. Ich kenne mich mit solchen eigentlich überhaupt nicht aus, aber für nur 30 Euro inklusive Versand darf man in keinster Weise meckern. Das Preis-Leistungsverhältnis scheint hier absolut zu stimmen.
Stelle ich das Handfunkgerät auf ca. 433 MHz ein und halte es in die Nähe meiner Empfangsantennen, so leuchtet die Glühbirne hell auf. Funktionstest also bestanden 😉
Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…
Zum Abschluss möchte ich noch das wohl einfachste Experiment zum Thema Funk/Antennen präsentieren und zwar einen Funkensender. Dazu benötigt man lediglich starren Kupferdraht für die Sende- und Empfangsantenne, einen Piezozünder aus einem Grillanzünder und eine Neonglimmlampe zum Anzeigen des empfangenen Signals.
Die Neonglimmlampe:
Der Piezozünder befindet sich im Inneren des Grillanzünders:
Für die Antennen verwendete ich gewöhnliche Aderleitung mit 2.5 mm²:
Insgesamt benötigen wir 4 Drähte mit einer Länge von ca. je 20 cm:
Für die Antennenhalterungen habe ich Restholz verwendet:
Der fertige Sender und Empfänger:
Postiert man nun beide Antennen parallel zueinander und betätigt den Piezozünder, so leuchtet die Neonglimmlampe kurz auf. Am besten führt man das Experiment in einem abgedunkelten Raum aus:
Heinrich Hertz wäre stolz auf uns 😉
