Physik austricksen: Antennen für extrem kleine Geräte sind erfunden

Um vernetzte Geräte noch kleiner und kompakter hinzubekommen, müssen nicht nur die Elektronik-Bauteile kleiner werden. Eine physikalische Hürde liegt auch in der Größe und Form der Antennen für die drahtlose Daten-Kommunikation. mehr... Wlan, Funk, Sender, Antenne Bildquelle: clipartist.info Wlan, Funk, Sender, Antenne Wlan, Funk, Sender, Antenne clipartist.info

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Da verstehe ich etwas nicht, bitte helft mir mal auf die Sprünge: wenn die elektromagnetische Welle erst empfangen werden muss, um in Schallwellen umgewandelt zu werden, muss doch die für den Empfang zuständige Antenne wiederum eine bestimmte Größe aufweisen, weil sonst die Empfangsleistung rapide sinkt, wie im Artikel beschrieben. Ich schalte doch nur einen weiteren Schritt - die Umwandlung in eine Schallwelle - dahinter, aber das ändert doch nichts am initialen Empfang meiner elektromagnetischen Welle mittels einer Antenne..?
 
@Torchwood: Ist der Unterschied zwischen den Antennenfunktionen, bei den heutigen werden die Wellen in Spannungen umgewandelt, bei den neuen die elektromagnetischen Wellen nicht in Spannung sondern zu Schallwellen. Somit benötigt wohl nur die direkte Umwandlung zur Spannung eine grössere Bauform.
 
@Gärtner John Neko: Ok, aber es geht doch um das Empfangen, oder? Empfangen müssen doch beide Typen zunächst mal, unabhängig von der späteren Umwandlung in Schallwellen.
 
@Torchwood: Ich vermute mal, das die Membrane wie ein Verstärker arbeitet und deshalb eine geringere Leistung braucht um das Signal zu verarbeiten und als Schall weiter zu leiten.
 
@Torchwood: Das wort "Empfangen" für die Membran ist vllt. schlecht gewählt... In konventionellen Antennen wird eine Spannung induziert, die dann durch die Elektronik gemessen und ausgewertet wird. Das neue System basiert auf dem piezoelektrischen Effekt: eine induzierte Spannung führt zu einer Größenänderung. D.h. das elektromagnetische Signal induziert auch hier eine Spannung, nur dass diese nicht direkt von der Elektronik gemessen wird. Es werden erst die Schallwellen gemessen, die durch die periodische Größenänderung der Membran ausgesendet werden. D.h. die sehr kleinen Spannungen (die nicht gut gemessen werden können) sind immer noch groß genug, um mit einer Membran Schallwellen auszulösen, die widerum gut genug gemessen werden können. Also umgeht man das Problem der zu kleinen Spannungen einfach durch einen physikalischen Effekt.
 
@Torchwood:
Mit dieser "aktustischen Antenne" wird man sicher keine Signale eines klassischen Dipol-Senders empfangen können.
Die "akusttischen Antenne" kommt sowohl beim Sender, als auch beim Empfänger zum Einsatz. Ist im Prinzip ein Miniaturlautsprecher der Schallwellen im entsprechenden Frequenzbereich erzeugt und ein passendes Mikrofon für den Empfang.
 
@Torchwood: Eine Dipolantenne ist idealerweise halb so lang wie die Wellenlänge des Signals, das sie empfangen soll. Das nennt man einen Lambda/2-Dipol.

Unabhängig davon reagiert (steht auch im Text) der viel kürzere Dipol auch auf die viel größere Wellenlänge. Bei Lambda/2 ist es nur am effektivsten. Das heißt: Die 1mm große Antenne würde auf eine Wellenlänge von 1m reagieren, nur bei weitem nicht so effektiv.

Bei der im Beitrag vorgestellten Bauform handelt es sich aber, soweit ich das verstehe, nicht um einen klassischen Dipol. Auch sind die Vorgänge in der Antenne andere:

Beim klassischen Dipol wird von der elektromagnetischen Welle (die für den elektrischen Leiter, aus dem die Antenne besteht ein veränderliches Magnetfeld darstellt) eine Spannung induziert. Dieser Teil scheint hier einfach wegzufallen.

Piezoelektrische Materialien sind erstaunliche Dinger. Legt man eine Spannung an, verformt es sich, verformt man das Material, entsteht eine elektrische Spannung, die hoch genug ist, dass im Feuerzeug ein Funke entsteht, der das Feuerzeuggas entzündet.

Das elektromagnetische Wechselfeld des Funksignals wieder bewirkt wie eine Spannung (so verstehe ich das) direkt eine Verformung des Materials. Das sich das Signal ständig verändert, entsteht so in der piezoelektrischen Membran direkt eine mechanische Schwingung, die entsprechend weiterverarbeitet werden kann. Der Effekt ist hierbei aber deutlich größer als bei der direkten Umwandlung in eine (Wechsel-)Spannung im (viel, viel zu kurzen) klassischen Dipol.

Im Zweifel, wenn das neue System doch einem Dipol nachgeschaltet sein sollte, ist dessen Empfangsleistung natürlich grottig aber immer noch genug, um die Piezomembran ausreichend anzuregen. Die Membran wäre dann quasi als Verstärker nachgeschaltet.

Könnte vielleicht sogar den DVB-T-Empfang verbessern, wenn man dieses System dort einsetzen könnte.
 
Sowas nennt man lautsprecher und mikrofon...
Gut das Frequenzband habens nach oben geschraubt.
 
Die Überschrift ist echt der Hammer!
Man kann die Physik nicht austricksen, sondern nur ausnutzen...!!! Was auch im folgenden Text beschrieben wird!
 
Was mir nicht in den Kopf will:
1.) Das Trägersignal beherbert aufmoduliert das eigentliche Nutzsignal. Wird dieses Huckepack-Signal dann nicht durch die Transformation zerstört?
2.) Es gibt Piezo-Elemente, die bei solch hohen Frequenzen (2,4 GHz) ausreichend schnell reagieren können und somit ihre physische Form verändern?
 
@Thrawn212:

1. Nein, natürlich nicht. Die Stärke der Verformung folgt der Amplitude des Signals. Die Piezomembran wird also in Abhängigkeit vom Nutzsignal in Schwingung mit entsprechender Amplitude versetzt (unterschiedlich stark verformt) und das aufmodulierte Nutzsignal bleibt erhalten, da es der Membranschwingung aufmoduliert bleibt.

2. Offensichtlich. Hängt eben vom Material und man findet immer neue Materialien für die erstaunlichsten Anwendungen. Mal sehen, wann der erschwingliche Zimmertemperatursupraleiter kommt...
 
So wie es im Artikel beschrieben wird ist das völliger Blödsinn.

In der Kette: ->Normalgroßer Sender -> Normalgroße Antenne ->Akustikwandler->Akustiksender ->Mini Empfangsantenne Ergibt es doch absolut keinen Sinn so etwas überhaupt zu entwickeln.

Denn um im Piezoelement eine größenänderung hervorzurufen muss über eine Herkömmliche Antenne die Elektromagnetische Welle empfangen werden und in eine, das Piezoelement verformende Spannung gewandelt werden....

Und darüberhinaus wird so eine Schallwelle keine sehr große Reichweite haben. Wir reden hier von µWatt an Leistung und vielleicht einem mm² Swingfläche. Eine entsprechend kurze HF Welle kann man wahrscheinlich schon mit einem Blatt Papier abschirmen....

Ergo: Damit kann man vielleicht innerhalb eines gerätes über ein akustisch abgeschirmtes röhrchen oder so eine Signalkopplung herstellen, bei der die Antenne galvanisch vom Rest des Gerätes getrennt wird. Dafür gibt es aber seit jahrzehnten Optokoppler...

Irgendwie ergibt das Ganze keinen Sinn....

@ Thrawn212: Ja, es gibt Piezoelemente die im zweistelligen Ghz Bereich schwingen können.

Ps: Sollte das aussetzen in einem RF Feld ausreichen um das Piezoelement anzuregen, dann hätte dieser Effekt schon längst beobachtet werden müssen. Denn Felder im RF Bereich umgeben uns die ganze Zeit, seit beginn des letzten Jarhunderts.
Daher gehe ich davon aus, das die Spannung die am Piezoelement angelegt wird (dabei muss es sich um Hochspannung handeln, sonst tritt kein wirsamer effekt auf) erst von einer normalen Antenne empfangen wird, dann in Hochspannung transformiert wird um dann den Piezo Kristall anzusteurn, der durch die dann auftretende Kontraktion oder Expansion eine Schallwelle erzeugt. Da er sich selbst nur um ein paar Luftmolekülgrößen bewegt, wird die entstehende Welle auch nicht aus viel mehr bestehen...

Entweder ich habe das völlig falsch verstanden, oder es ergibt wirklich keinen Sinn!
 
@Speggn: vielleicht sowas wie ein rasterkraftmikroskop?
man muss nur irgendwie die Resonanzfrequenz treffen
 
@Speggn: Du hast es falsch verstanden :) Das akustische Signal soll nicht die elektromagnetische Signal vom Sendegerät zum Empfangsgerät ersetzen. Das akutstische passiert alles innerhalb der neuartigen Antenneneinheit. Und die Spannung die benötigt wird, um das Piezoelement zu verformen wird nicht elektronisch angelegt, sondern von der elektromagnetischen Welle selbst induziert. Anders würde das tatsächlich keinen Sinn machen.
 
@Speggn: Wie kommst Du auf Hochspannung? In jeder Quarzuhr wird der piezoelektrische Effekt ausgenutzt, indem eine Wechselspannung den Schwingquarz anregt, welcher durch Rückkopplung die Oszillationsfrequenz mit seiner eigenen Resonanzfrequenz in Übereinstimmung bringt. Willst Du mir ernsthaft erzählen, dass in meiner Uhr aus der Batteriespannung erst eine Hochspannung erzeugt wird?

Nebenbei sind "herkömmliche" Piezokristalle aus Blei-Zirkonat-Titanat, nicht aus einer Eisen-Gallium-Brom-Verbindung. Anderer Stoff, andere Eigenschaft. Die Größenänderung "herkömmlicher" Kristalle im RF-Feld mag nicht messbar gewesen sein, weshalb sie niemandem auffiel. Zudem ist es der Eisenanteil, der hier für eine Reaktion des Kristalls auf das MAGNETFELD verantwortlich sein könnte. Im Text ist von einem (mir in dieser Form bisher auch unbekannten) piezoMAGNETISCHEN Effekt die Rede. Es scheint ihn aber wirklich zu geben.

Und was die notwendige Spannung betrifft: "Vor allem für die Anwendung als Aktor werden heute meist Keramiken eingesetzt, weil diese bei kleineren Spannungen eine größere Längenänderung als Piezokristalle ergeben..." - kleine Ursache, verhältnismäßig große Wirkung.
 
@Der Lord: Ich sehe, die Verständnisprobleme habe nicht nur ich;) Das Prinzip scheint doch nicht so trivial zu sein wie "Mikrofon plus Dipolantenne".
 
Fetzige Überschrift!

War das Absicht? Weil, "ist erfunden" bedeutet ja eigentlich in diesem Kontext etwas gänzlich anderes...
 
Der wichtige Teil aus dem Originaltext:
Here we demonstrate the nanoelectromechanical system (NEMS) antennas operating at VHF and UHF frequencies based on the strong ME coupling between EM and bulk acoustic waves in the resonant ME heterostructures (ferromagnetic/piezoelectric). These ME antennas have realized acoustic transmitting and receiving mechanisms in nanoplate resonators (NPR) and thin-film bulk acoustic wave resonators (FBAR). During the receiving process, the magnetic layer of ME antennas senses H-components of EM waves, which induces a oscillating strain and a piezoelectric voltage output at the electromechanical resonance frequency. Conversely, during the transmitting process, the ME antennas produces an oscillating mechanical strain under an alternating voltage input, which mechanically excites the magnetic layer and induce a magnetization oscillation, or a magnetic current, that radiates EM waves. Therefore, these ME antennas operate at their acoustic resonance instead of, EM resonance. Since the acoustic wavelength is around five orders of magnitude shorter than the EM wavelength at the same frequency, these ME antennas are expected to have sizes comparable to the acoustic wavelength, thus leading to orders of magnitude reduced antenna size compared to state-of-the-art compact antennas.

Also im Prinzip klatschen die einen Magneten auf die Membran eines Mikrophons und können so elektromagnetische Wellen wie Schallwellen behandeln:
EM-Welle bewegt Magnet, der bewegt die Membran, die erzeugt dann die Wechselspannung.
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