Bau eines Baumarkt-Faraday-Käfigs

Den meisten Hackaday-Lesern ist der Faraday-Käfig zweifellos bekannt, zumindest dem Namen nach, und fast jeder besitzt einen: Wenn Sie schon einmal einer Tüte Popcorn dabei zugeschaut haben, wie sie sich langsam in einer Mikrowelle dreht, haben Sie Michael Faradays Erfindung aus dem Jahr 1836 gesehen Aktion. Doch obwohl es sich um ein so bekanntes Gerät handelt, hat der durchschnittliche Hacker immer noch keins in seinem Arsenal. Aber warum?

Es könnte sein, dass Faraday-Käfige eine gewisse Mystik haben, die Annahme, dass für ihre Konstruktion Techniken oder Materialien erforderlich sind, die außerhalb des Reichs des Heimhackers liegen. Zwar erfordert der Bau eines perfekten Faraday-Käfigs für eine bestimmte Frequenz Mathematik und viel Liebe zum Detail, doch die Zusammenstellung eines einfachen Modells für allgemeine Zwecke und Experimente erweist sich als schnell und einfach.

Als Übung im minimalistischen Hacken habe ich kürzlich einen einfachen Faraday-Käfig aus Materialien von Home Depot gebaut und dachte, es wäre interessant, nicht nur seine Konstruktion zu beschreiben, sondern auch einige Ideen zu geben, wie man ihn im Haushalt praktisch nutzen kann Labor. Obwohl es sich kaum um ein perfektes Exemplar handelt, funktioniert es eindeutig, und es wurde nichts benötigt, was nicht fast überall auf der Welt lokal beschafft werden kann.

Auf der einfachsten Ebene ist ein Faradayscher Käfig ein Gehäuse aus einem leitfähigen Material, das elektromagnetische Felder blockiert. Im Vergleich zu einem Faraday-Schild handelt es sich bei der Käfigvariante nicht um einen massiven Gegenstand, sondern um ein metallisches Netz. Dies ermöglicht unter anderem die Beobachtung des Subjekts im Inneren des Käfigs. Einfach ausgedrückt: Wenn Sie ein Gerät lediglich vor Störungen schützen (oder verhindern möchten, dass es Störungen verursacht), reicht es aus, es in einer Metallbox einzuschließen; Aber wenn Sie etwas wollen, mit dem Sie experimentieren können, brauchen Sie wahrscheinlich einen Käfig.

Der Trick besteht darin, sicherzustellen, dass die Löcher im Käfigmaterial kleiner sind als die Wellenlänge, die Sie blockieren möchten. Es ist das gleiche Prinzip, das es Ihnen ermöglicht, Standard-Hühnerdraht als HF-Reflektor zu verwenden, solange Sie mit relativ niedrigen Frequenzen arbeiten. Aber wenn Ihre Zielfrequenz zunimmt, wird die Wellenlänge so klein, dass sie durch Maschendraht schleichen kann, sodass Sie etwas engeres verwenden müssen. Aber wie klein ist klein genug?

Zunächst müssen wir die Wellenlänge für die Frequenz finden, die wir blockieren möchten. Dies lässt sich ermitteln, indem man die Geschwindigkeit der Welle in Metern pro Sekunde durch ihre Frequenz in Hertz dividiert. Da wir es mit einer Radiowelle zu tun haben, wissen wir, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, und für die Frequenz wollen wir beispielsweise 2,4 GHz blockieren. Die Mathematik sieht also so aus:

Als Faustregel für einen Faradayschen Käfig gilt, dass die Öffnungen nicht größer als 1/10 der Wellenlänge sein sollten, was in unserem Fall 12,5 mm (ungefähr 1/2 Zoll) beträgt. Wie es der Zufall so will, sind „Hardware-Gewebe“ aus Stahl mit Maschenweiten von 1/2″ und 1/4″ weit verbreitet. Auf dem Papier sollte beides funktionieren, aber sicherheitshalber habe ich mich letztendlich für das 1/4-Zoll-Kabel entschieden.

Mit dem Netz in der Hand besteht der nächste Schritt darin, eine Art Rahmen dafür zu bauen. Tatsächlich hat Home Depot Holzkisten in seinem Lagerbereich, die stabil und relativ günstig sind. Sie können einen Rahmen auch aus Holzstücken oder PVC-Rohren konstruieren, was möglicherweise günstiger ist, wenn Sie sich die Zeit für den Bau nehmen.

Ich habe ein paar Lamellen aus einer Seite der Kiste herausgenommen, damit man leichter ins Innere sehen kann, aber darüber hinaus besteht die Konstruktion einfach darin, die Kiste mit dem Hardware-Tuch zu umwickeln. Ich habe ein langes Stück gemacht, das vorne begann und bis zur Rückseite reichte, und dann zwei kleinere Stücke, um die Seiten zu „verschließen“. Letzten Endes ist es nicht ganz anders als beim Verpacken von Geschenken; Wenn die Geschenkverpackung aus Metall wäre und die starke Tendenz hätte, einen zu schneiden, jedenfalls.

Achten Sie besonders darauf, wo Teile des Netzes überlappen. Sie möchten eine gute elektrische Verbindung aufrechterhalten und Lücken vermeiden, deshalb sollten Sie die Teile aus Sicherheitsgründen mindestens ein paar Zentimeter überlappen. Ich habe das Hardware-Tuch mit einem Elektrotacker an der Kiste befestigt und dabei auch darauf geachtet, ein paar zusätzliche Heftklammern durch die Bereiche zu treiben, in denen sich die Maschen überlappen, um sicherzustellen, dass sie fest zusammengehalten werden.

Als einfachen Test habe ich mein Telefon auf dem Tisch aufgestellt und die Signalstärkefunktion der „WiFi Analyzer“-Anwendung für Android ausgeführt, wobei als Ziel ein Access Point ausgewählt wurde, der sich eine Etage darüber befindet. Auf den beiden Bildern unten hat sich von einer Aufnahme zur anderen nur die Platzierung des DIY-Faradayschen Käfigs über dem Telefon geändert.

Wie Sie sehen können, hatte das Telefon ursprünglich eine Signalstärke von etwa -55 dBm, die im Käfig auf fast -80 dBm abfiel. Schwache WLAN-Netzwerke konnten nicht erkannt werden, wenn sich das Telefon im Käfig befand, und der LTE-Empfang des Telefons war deutlich beeinträchtigt.

Bevor die Kommentatoren unten die Chance bekommen, es für mich zu tun, sollte ich sagen, dass dies zugegebenermaßen kein sehr guter Faraday-Käfig ist. Zum einen ist es nicht vollständig umschlossen. Da es keinen Boden gibt, können Signale immer noch von unten eindringen, was ihre Wirksamkeit erheblich verringert. Das Stahlgeflecht ist auch kein idealer Leiter und Kupfer würde wahrscheinlich besser funktionieren. Es erwies sich jedoch als schwierig, eine lokale Quelle für eng gewickelte Kupfergeflechte zu finden.

Es gibt auch einige Debatten darüber, ob ein Faradayscher Käfig geerdet sein muss oder nicht. Während meiner Tests war keine Leistungsänderung zu beobachten, als der Käfig geerdet war. Es ist jedoch möglich, dass ein konventionellerer Faraday-Käfig anders funktioniert.

Trotzdem bin ich immer noch der Meinung, dass dieses Design die Funkfrequenz ausreichend blockiert, um nützlich zu sein. Dadurch wird das Gerät im Inneren nie vollständig von elektromagnetischen Störungen isoliert (oder umgekehrt), aber es dämpft die Signale deutlich genug, um klar erkennbar zu sein. Das war von Anfang an das Ausmaß meines Ehrgeizes, daher bin ich mit den Ergebnissen zufrieden.

Stellen Sie sich vor, Sie entwickeln oder testen ein ferngesteuertes Gerät und möchten sehen, wie es sich verhält, wenn die Signalstärke schlecht ist. Wenn Sie den Käfig darüber werfen, könnte die Signalstärke sofort sinken. Oder vielleicht beobachten Sie die HF-Emissionen eines Geräts, möchten aber unnötige Hintergrundgeräusche reduzieren. Wenn Sie das zu testende Gerät und Ihre SDR-Hardware in den Käfig stecken, wäre dies eine einfache Möglichkeit, es in einer weniger „lauten“ Umgebung zu untersuchen.

Das sind nur zwei Möglichkeiten. Diese Demonstration zeigt, dass es wirklich keinen guten Grund gibt, kein einfaches HF-Blockierungsgerät zur Verfügung zu haben. Es ist günstig, funktioniert und kann Ihr nächstes Wochenendprojekt sein. Was Sie damit machen, bleibt Ihnen überlassen. Schreiben Sie uns einfach, wenn Sie es herausgefunden haben. Wofür würden/wollen Sie einen Faradayschen Käfig verwenden?