Für ein Kinderzeltlager mit dem Motto Agenten und Spione wurden noch Medaillen benötigt. Ein guter und vor allem günstiger Weg zu individuellen Medaillen sind Platinen. Und wenn man schon eine Platine entwirft, wäre es cool, wenn die Medaille noch eine Zusatzfunktion haben. So kam die Idee auf einen Wifi detektor in die Platine mit einzubauen, ganz im Sinne echter Spionage Gadgets. Benötigt wird hierfür neben der Medaille nur eine LED und eine Diode. Was sich anfänglich als schnelle Idee tarnte wurde schnell zu einem schönen Projekt an 2 Abenden.

Medalien_Vorderseite

Funktionsweise

Dankenswerterweise musste ich nicht bei null anfangen. Ein anderer Mitarbeiter hatte bereits Vorarbeit geleistet und ein Konzept für das Aussehen der Medaille entworfen, drei Varianten für Gold, Silber und Bronze, dazu passende Motive von Radar über Funksymbol bis Lorbeerkranz mit Antenne. Meine Idee war es, diese Optik mit einer echten Funktion zu verbinden. Die Grundidee ist im Prinzip ein Kristallradio, nur ganz ohne Sender abzustimmen, ein gefalteter Dipol auf der Platine fängt direkt die 2,4 GHz WLAN-Signale ein und eine sehr schnelle Diode in der Mitte der Antenne richtet diese winzige Wechselspannung gleich, und eine LED direkt daneben macht das Ergebnis sichtbar.

Zusammenbauen

Der Zusammenbau selbst ist zum Glück der kurze Teil. Man benötigt lediglich folgendes:

  • Platine
  • Diode (1N5711W)
  • LED ( LTST-C150KRKT )
  • Lötkolben mit feiner Lötspitze
  • Lötzinn
  • Pinzette
  • (ggf. Entlötpumpe/Entlötlitze)

Zum Zusammenbauen mit Kindern hat sich bewährt immer nur je ein Bauteil aus den SMD-Gurten zu nehmen. Dann wird zuerst ein Pad mit etwas Lötzinn benetzt. Dann kann der Kontakt mit dem Lötkolben in der einen Hand erneut heiß gemacht werden und mit der anderen Hand mithilfe der Pinzette die LED/Diode hingeschoben werden. Anschließend wird der andere Pol erhitzt und festgelötet. Danach wird das Ganze für das 2. Bauteil wiederholt. Grundsätzlich ist es egal, ob die LED oder Diode “oben” sind. Auch ist die Polarität egal, solange LED und Diode gegensätzlich eingebaut werden. Hier kann man einen gelungenen Aufbau sehen.

Nahaufnahme

Demo

Der spannendste Moment ist natürlich der erste Test

Auch wenn Antennen manchmal wie schwarze Magie wirken, zaubern kann selbst das beste Antennendesign nicht. Im Video sieht man die LED erst leuchten, sobald die Medaille bis auf wenige Zentimeter an die Antenne des Access Points gehalten wird. Das liegt schlicht an der verfügbaren Energie, WLAN sendet ohnehin nur mit sehr geringer Leistung. Gut geeignet zum Testen sind Router, Access Points und Handys im Hotspot-Modus, wenn sie das 2,4 GHz Band verwenden. Viele Mikrowellen sind nicht perfekt “dicht” und da sie dieselbe Frequenz nutzen, leuchten die Medaillen in der Nähe.

In der angeschalteten Mikrowelle leuchten sogar Medaillen ohne LED einmalig kurz xD

Die Technik

Wer bis hierhin gelesen hat und wissen will, was tatsächlich in der Platine steckt, für den kommt jetzt der technische Teil.

Meine Wahl für die Frequenz fiel auf 2,4 GHz und nicht auf 5 oder 6 GHz, auch wenn auf 5 oder 6 GHz teilweise mit bis zu der 10-fachen EIRP gesendet werden darf. Zum einen erfahren höhere Frequenzen eine (quadratisch) höhere Freiraumdämpfung, d.h. bei selbem Antennengewinn hat eine Antenne mit 5 GHz nur 25% der Energie einer 2,4 GHz Antenne. Zudem benötigt eine höhere Trägerfrequenz auch noch schnellere und kapazitätsärmere Dioden. Diese sind nicht nur teurer, sondern auch zunehmend weniger in einfach zu Lötbaren Packages erhältlich.

Der naivste Ansatz für die Berechnung der Antenne wäre:

$$ \lambda = \frac{c}{f} = \frac{3*10^8 \frac {m}{s}}{2,45\ GHz} = 122\ mm $$

Bezogen auf einen Arm des Dipoles wären das also $ 122 \ mm * 0,25 = 30,5\ mm$ Allerdings existiert die Antenne nicht als idealer Leiter im Vakuum. Die Antenne wie alle echten Leiter auch einen Verkürzungsfaktor und das Substrat der Platine hat mit ca. 4,5 eine deutlich höhere Permittivität als Vakuum. Insgesamt ergibt sich so ein Verkürzungsfaktor von ca. 0,77. Es ergibt sich also rechnerisch eine Länge von:

$$ 30,5 \ mm * 0,77 = 23,49 \ mm $$

Genau kenne ich diesen allerdings nicht, da ich um Kosten zu sparen auf ein definiertes Impedanz-Stackup verzichtet habe. Zudem kommt, dass die Antenne durch die Eigenkapazität der LED und Diode elektrisch verkürzt wird. Um dem entgegenzuwirken müsste die Antenne wieder verlängert werden. Hier habe ich allerdings nur geschätzt und auf 25mm aufgerundet.

Auch hat sich dem aufmerksamen Leser vlt. schon die Frage gestellt wozu es nochmal eine extra Diode braucht, wo doch LEDs dem Namen nach die Funktion schon erfüllen sollten. Die Antwort hierfür liegt in der Sperrschichtkapazität. Bei der Diode liegt diese laut Datenblatt (dort mit CT bezeichnet) bei maximal 2,0 pF bei 0 V und 1 MHz, und laut der Kurve fällt sie unter Sperrspannung sogar weiter Richtung 0,4 bis 0,8 pF. Bei 2,45 GHz ergibt das eine Reaktanz von rund 33 Ohm, also in derselben Größenordnung wie der Strahlungswiderstand eines Halbwellendipols von etwa 60 bis 90 Ohm. Die Diode ist so hochohmig und wirkt als echtes nichtlineares Schaltelement, anstatt einfach nur die Antenne kurzzuschließen. Die LED dagegen ist nicht dafür gebaut, deren Sperrschichtfläche ist darauf optimiert, möglichst viel Licht zu emittieren und hat so typischerweise eine deutlich größere Kapazität irgendwo im Bereich von zehn bis mehreren zehn Picofarad. Nimmt man beispielhaft 20 pF an, ergibt sich bei 2,45 GHz nur noch eine Reaktanz von etwa 3 Ohm, das liegt weit unter dem Strahlungswiderstand der Antenne und würde das Hochfrequenzsignal am Speisepunkt praktisch kurzschließen statt es zu einer nutzbaren Gleichspannung umzuwandeln.

Zweitens kommt die Flussspannung dazu, die 1N5711W öffnet laut Datenblatt schon bei etwa 0,41 V typisch bei 1 mA, während eine rote oder hyperrote LED üblicherweise erst ab etwa 1,6 bis 2 V nennenswert Strom führt. Die winzige Wechselspannung, die eine kleine ungematchte PCB-Antenne aus Umgebungs-WLAN einfängt, dürfte grob geschätzt nur im Bereich weniger zehn bis vielleicht ein paar hundert Millivolt Spitze liegen, das reicht für die Schottkydiode aus, für die LED allein aber nie. Ohne die schnelle, niederohmige Diode würde also praktisch nie genug Spannung zusammenkommen, damit überhaupt etwas passiert. Als kleiner Bonus übernimmt die Diode dabei noch eine Schutzfunktion, ihre eigene Guard-Ring-Konstruktion laut Datenblatt und die zulässige Sperrspannung von 70 V liegen weit über dem, was eine LED an Rückwärtsspannung normalerweise verträgt, in der antiparallelen Schaltung fängt die Diode also auch noch die Spannungsspitzen ab, die sonst die LED beschädigen könnten.

Auch die Breite der Antenne war eine bewusste Entscheidung. Eine breite Leiterbahn statt eines dünnen Drahtes senkt den Gütefaktor des Dipols. Ein niedrigerer Gütefaktor bedeutet mehr Bandbreite bei etwas geringerer Spitzenimpedanz, die Antenne bleibt also auch dann noch brauchbar angepasst, wenn sich die Resonanz durch Fertigungstoleranzen, Rechentoleranzen oder die Bauteilkapazitäten leicht verschiebt. Ein netter Nebeneffekt ist, dass durch die breitere Fläche auch der Skin-Effekt abnimmt und der ohmsche Widerstand sinkt.

Und dass man den Dipol dem runden Medaillendesign folgend biegen kann, ohne viel Gewinn zu verlieren, deckt sich mit dem, was ein Bericht mit dem Titel „Effects of Meandering on Dipole Antenna Resonant Frequency" zeigt, Biegungen verändern vor allem die elektrische Länge bei gleicher physischer Baugröße, die Resonanzfrequenz verschiebt sich etwas, die Strahlungseffizienz bleibt aber gut, solange man danach neu auf die Zielfrequenz trimmt. Das gilt gut für einzelne, moderate Biegungen wie unseren Bogen über etwa 54 Grad, bei sehr engen, mehrfach gefalteten Mäanderformen wird der Gewinnverlust dagegen spürbarer. Für eine Medaille, die man ohnehin aus wechselnden Winkeln an ein Handy hält, ist ein etwas rundlicheres Abstrahlverhalten sowieso eher praktisch als ein Nachteil.

Als Diode fiel die Wahl auf eine 1N5711W von Diodes Incorporated im SOD123 Gehäuse, eine LED mit möglichst geringer Kapazität und noch gut von Hand lötbarer Größe rundet die Bestückung ab. Am Ende musste alles noch in die runde, fünfzig mal fünfzig Millimeter kleine Fläche der Medaille passen, ohne dass Antenne oder Bauteile mit den Löchern für die Anhängerkette kollidieren.

Die Platinen wurden extern gefertigt, mit unterschiedlicher Oberfläche je nach Platzierung, ENIG für Platz eins, Immersion Silber(Blei frei) für Platz zwei und teilweise ungeschützte Kupferoberfläche für Platz drei. Leider unterstützt mein PCB-Hersteller keine blanken Kupferoberflächen. Daher habe ich für den Platz drei ebenfrei mit bleifreiem Zinn bestellt. Anschließend habe ich die Zinnschicht mit Salzsäure wieder entfernt. Anschließend wurden die Platinen in einem Natriumbicarbonat-Bad neutralisiert und gegen Oxidation mit einer Resinschicht geschützt. Da der Prozess viel Handarbeit benötigt, hatte ich dafür leider nicht genug Zeit.

Nachbauen

Ich finde die Schaltung ideal, wenn man zu Demozwecken mit Leuten löten will. Man ist je nach Vorerfahrung und Anleitung in ca. 2 Minuten fertig. Die Schaltung ist einfach zu verstehen, bietet aber quasi unbegrenzte Tiefe zum Eintauchen. Auch ist man sehr günstig dabei. Ich habe für insgesamt 300 Platinen folgendes gezahlt:

  • je 25€ für 100x 2. und 3. Platz (Bleifrei verzinnt ) + 38€ für 1. Platz (ENIG)
  • 300 Dioden (1N5711W) ca. 30€
  • 300 LEDs (LTST-C150KRKT) ca. 30€

Pro Bausatz ergeben sich folgende Preise

300 Stück => 50ct pro Stück

500 Stück => 30ct pro Stück

Falls du Fragen hast, Dateien brauchst, kannst du mich gerne Anschreiben: wird geladen …

Fazit

Am Ende steckt auch in einem kleinen Projekt am Abend doch einiges an Antennenmagie. Da ich zu dem Zeitpunkt gerade meine Amateurfunkprüfung gelernt habe, fand ich das aber einen ganz netten Exkurs. Aber auch die Kinder im Zeltlager hatten ihren Spaß und haben bewiesen, dass einem beim praktischen Bauen ein junges Paar Augen um die Polaritätsanzeigen auf den kleinen Bauteilen mehr hilft als alles Antennenwissen.