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Forschungsvorhaben
Bestimmung der Exposition durch UltraWideband Technologien
Teil 2 (Arbeitspaket 2):
Mess- und Berechnungsverfahren
Gernot Schmid, Luis Alberto Pérez
Februar 2008
Exemplar 1
ARC-IT-0223
… denn Wissen schafft Zukunft
Verteiler:
1
2
3
4
5
Bundesamt für Strahlenschutz
DI. Lamedschwandner
DI. Schmid
Hr. Pérez, BSc.
Sekretariat ARCS/IT
ARC-IT-0223
Februar 2008
Bestimmung der Exposition durch Ultra
Wideband Technologien
2. Zwischenbericht zum Forschungsvorhaben
Arbeitspaket 2 : Mess- und Berechnungsverfahren
im Auftrag des
Bundesamtes für Strahlenschutz
38201 Salzgitter, Deutschland
Gernot Schmid, Luis Alberto Pérez
Austrian Research Centers GmbH – ARC
Bereich Smart Systems
Geschäftsfeld Sichere Mobilkommunikation
Verfasser:
Dipl. Ing. Gernot Schmid
Geschäftsfeld Sichere Mobilkommunikation, Bereich Smart Systems
Austrian Research Centers GmbH-ARC
A-2444 Seibersdorf
Luis Alberto Pérez, BSc.
Geschäftsfeld Sichere Mobilkommunikation, Bereich Smart Systems
Austrian Research Centers GmbH-ARC
A-2444 Seibersdorf
Der Bericht gibt die Auffassung und Meinung des Auftragnehmers wieder und muss
nicht mit der Meinung des Auftraggebers (Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und
Reaktorsicherheit) übereinstimmen
ZUSAMMENFASSUNG
Im vorliegenden Bericht wurden sowohl messtechnische als auch numerische Methoden
für die Expositionserfassung in UWB-Feldern diskutiert und ihre Tauglichkeit für den
praktischen Einsatz bewertet.
Hinsichtlich der messtechnischen Methoden stellt die Kleinheit der von
regulierungskonformen UWB-Geräten zu erwartenden Immissionen die größte
Herausforderung dar. Messungen sind demnach nur mit hochempfindlichen
Messmethoden sinnvoll durchführbar. Breitbandfeldsonden sind allein aus diesem Grund
bereits als untauglich einzustufen. Möglichkeiten zur Immissionserfassung bieten vor
allem frequenzselektive Methoden (Messantenne und Spektrumanalysator) bzw. in
eingeschränktem Maß (hinsichtlich der erreichbaren Empfindlichkeit) auch
Zeitbereichsmethoden (Messantenne und breitbandiges Digital-Speicheroszilloskop). Die
für UWB-Immissionsmessungen erreichbare Empfindlichkeit der frequenzselektiven
Messmethode ist jedoch typischerweise um mindestens zirka eine Größenordnung
besser als jene der Zeitbereichsmethode. Ein weiterer Nachteil der Zeitbereichsmethode
sind die wesentlich höheren Kosten für adäquates Messequipment. Grundsätzlich ist
jedoch selbst bei Verwendung hochempfindlicher frequenzselektiver Messmethoden und
empfindlicher (direktiver) Messantennen zu erwarten, dass die Messung der
Immissionen von regulierungskonformen UWB-Geräten nur im Umkreis von weniger als
ca. 1-2 m um die Quellen möglich sein wird. In größerer Entfernung ist davon
auszugehen, dass die Immissionen unterhalb der Nachweisgrenze der gegenwärtig
verfügbaren Messtechnik für die Immissionserfassung liegen. Zur korrekten Erfassung
der mittleren UWB-Immissionen liefern zeitgemittelte Band Power Messungen mit RMSDetektor gute Ergebnisse, Maximalimmissionen werden am besten mit RMS-Detektor
und MAXHOLD-Funktion erfasst.
Auf dem Gebiet der numerischen Expositionsbestimmung bei UWB-Befeldung bieten
moderne FDTD-Simulationsplattformen unbestritten die besten Möglichkeiten.
Untersuchungen anhand einfacher Gewebemodelle haben gezeigt, dass neben der
prinzipiellen Möglichkeit von Breitbandanregung auch die Möglichkeit der Modellierung
der dispersiven (frequenzabhängigen) Gewebeeigenschaften eine notwendige
Voraussetzung für eine korrekte Berechnung der Strahlungsabsorption ist. Vereinfachte
Ansätze, wie Vernachlässigung der dispersiven Gewebeeigenschaften oder
leistungsäquivalente
Schmalbandanregung
führen
üblicherweise
zu
einer
Unterschätzung der Absorption, vor allem in tieferen Gewebeschichten.
Im Hinblick auf die bei UWB-Exposition in der Praxis zweckmäßigste Beurteilungsgröße
muss davon ausgegangen werden, dass nach gegenwärtigem Kenntnisstand sowohl die
spezifische Absorption SA, als auch die spezifischen Absorptionsrate SAR als relevante
Größen angesehen werden müssen. Welche der beiden Größen im Einzelfall das
strengere Beurteilungskriterium darstellt, hängt von den Charakteristika der UWBImmissionen ab (Impulsenergie, Impulsdauer, Impulswiederholrate).
Bezüglich der Markteinführung von UWB-Produkten ist festzuhalten, dass seit kurzem in
Deutschland, der Schweiz und Österreich nun die letzte formale Hemmschwelle, die
bislang nicht vorhandene Funkregulierung, überwunden ist. In allen drei Ländern
existieren nun rechtsgültige funkregulatorische Vorschriften für den Betrieb von UWBProdukten im Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz. Einer Verbreitung von
entsprechenden Produkten steht nun rechtlich nichts mehr im Wege und es ist daher
davon auszugehen, dass noch im Jahr 2008 erste Produkte auf dem Markt erscheinen
werden.
1
INHALT
1 EINLEITUNG.......................................................................................................... 3
2 MESSTECHNISCHE EXPOSITIONSERFASSUNG IN UWB-FELDERN .............. 4
2.1 Größenordnung der zu erwartenden Immissionen ..................................... 4
2.1.1
2.1.2
Vorgaben durch die Funkregulierung ...................................................................4
Einfache Abschätzung der Größenordnungen der Immissionen ..........................6
2.2 Tauglichkeit unterschiedlicher Messverfahren für die
Expositionsbestimmung in UWB-Feldern ................................................. 10
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Breitbandmessungen (Feldsonden)....................................................................10
Messungen im Zeitbereich (mit Digital-Oszilloskop)...........................................10
Frequenzselektive Messungen (mit Spektrumanalysator)..................................11
SAR-Messungen bei körpernahen UWB-Sendern .............................................12
2.3 Ermittlung praxistaugliche Messparameter anhand von Messungen
unter Laborbedingungen ............................................................................ 14
2.3.1
2.3.2
Messungen an einer MB-OFDM-UWB Quelle nach dem WiMedia Standard.....15
Messungen an einer Impuls-UWB-Quelle ..........................................................22
3 NUMERISCHE METHODEN FÜR DIE EXPOSITIONSERFASSUNG
IN UWB-FELDERN .............................................................................................. 30
3.1 FDTD-Methode für UWB-Berechnungen.................................................... 30
3.1.1
Implementierung dispersiver Gewebeparameter in FDTD .................................30
3.2 UWB-Absorption in biologischen Geweben .............................................. 32
3.2.1
3.2.2
Modell eines homogenen Gewebeblocks ...........................................................34
Modell eines geschichteten Halbraumes ............................................................37
3.3 SAR, SA oder E als Bewertungsgröße der Exposition ............................. 42
4 AKTUELLER STAND DER UWB-REGULIERUNG IN EUROPA........................ 45
4.1 Situation in Deutschland............................................................................. 45
4.2 Situation in der Schweiz.............................................................................. 46
4.3 Situation in Österreich ................................................................................ 46
5 WEITERES VORGEHEN IM PROJEKT .............................................................. 47
5.1 Messtechnische Untersuchungen.............................................................. 47
5.2 Numerische Berechnungen ....................................................................... 47
6 LITERATUR ......................................................................................................... 48
2
1 EINLEITUNG
Nachdem im ersten Zwischenbericht [1] die Grundzüge der UWB-Technologie
zusammengefasst und der aktuelle Stand der Standardisierung, Funkregulierung und
Produktverfügbarkeit erhoben wurden, widmet sich der vorliegende 2. Zwischenbericht
den Methoden für die Expositionserfassung in UWB-Feldern.
Ausgehend von einfachen theoretischen Betrachtungen wird zunächst abgeschätzt in
welcher Größenordnung UWB-Immissionen von regulierungskonformen Geräten zu
erwarten sind. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Überlegungen werden
anschließend die prinzipiell verfügbaren Messmethoden hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für
die UWB-Immissionserfassung diskutiert und für die als praxistauglich eingestuften
Methoden optimierte Messparameter ermittelt.
Eine besondere Rolle bei der Beurteilung von Expositionen in UWB-Feldern kommt den
numerischen Methoden zu, da sie die einzige Möglichkeit bieten Einblicke in die
Absorption von UWB-Feldern im Gewebe zu gewinnen. Aufgrund der besonderen
Charakteristika von UWB-Signalen (speziell geformte, sehr kurze Impulse mit
dementsprechend hohen Bandbreiten) gelingt dies jedoch gegenwärtig nur mit
modernsten und leistungsfähigen Methoden und Hardwareressourcen. Die gegenwärtig
am besten geeignete Methode für numerische Absorptionsberechnungen bei UWBExposition wird daher in einem eigenen Kapitel diskutiert und in ihren Grundzügen
erläutert. Anhand einfacher Beispiele werden die Bedeutung der korrekten
Berücksichtigung der dispersiven (frequenzabhängigen) Gewebeeigenschaften und die
Unterschiede zwischen schmalbandiger und UWB-Anregung hinsichtlich der
Absorptionsverteilung im Gewebe demonstriert.
Schließlich wird kurz auf die Zweckmäßigkeit unterschiedlicher physikalischer Größen für
die Expositionsbeurteilung in UWB-Feldern eingegangen und der aktuelle Stand der
Funkregulierung in Deutschland, der Schweiz und Österreich zusammengefasst.
3
2 MESSTECHNISCHE EXPOSITIONSERFASSUNG IN UWBFELDERN
2.1 Größenordnung der zu erwartenden Immissionen
Bevor im Detail auf die Möglichkeiten der messtechnischen Expositionserfassung
eingegangen wird, soll kurz, anhand theoretischer Betrachtungen, erörtert werden, in
welcher Größenordnung die durch UWB-Geräte verursachten HF-Immissionen zu
erwarten sind. Betrachtet werden dabei ausschließlich Geräte und Anwendungen für den
freien Markt, die der aktuellen Funkregulierung für UWB entsprechen. Für militärische,
medizinische und andere Sonderfälle von UWB-Anwendungen mit Leistungsdichten weit
oberhalb der Werte der gegenwärtigen UWB-Funkregulierung können die folgenden
Betrachtungen natürlich nicht gelten.
2.1.1 Vorgaben durch die Funkregulierung
Ausgangspunkt der Überlegungen sind die bereits in [1] beschriebenen Vorgaben der
Funkregulierung in Europa [2] für UWB-Anwendungen im Frequenzbereich 3,1 GHz –
10,6 GHz. Diese sind in Tabelle 2.1 und nochmals zusammengefasst.
Frequenzbereich
[GHz]
< 1,6
1,6 - 3,4
3,4 - 3,8
3,8 - 4,2
4,2 - 4,8
4,8 - 6,0
6,0 - 8,5
8,5 - 10,6
> 10,6
max. mittlere EIRP-Sendeleistungsichte [dBm / MHz]
Geräte ohne
Störminderungstechnik
bis 31.12.2010
- 90,0
- 85,0
- 85,0
- 70,0
- 41,3
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Geräte ohne
Störminderungstechnik
ab 01.01.2011
- 90,0
- 85,0
- 85,0
- 70,0
-70,0
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Geräte mit
Störminderungstechnik
- 90,0
- 85,0
- 41,3
- 41,3
-41,3
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Tabelle 2.1: Sendeleistungsdichtelimits für UWB-Geräte gemäß [2].
Gemäß der US-amerikanischen FCC-Funkregulierung für UWB [3], ist der
Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz durchgehend von UWB-Geräten mit
einer maximal zulässigen EIRP-Sendeleistungsdichte von -41,3 dBm/MHz nutzbar. Im
Gegensatz dazu ist die Nutzung des Spektrums für UWB-Geräte auf diesem
Sendeleistungsdichte-Niveau in Europa generell nur in den Frequenzbereichen zwischen
3,4 GHz und 4,8 GHz und zwischen 6 GHz und 8,5 GHz vorgesehen. Für Geräte ohne
Störminderungstechnik wird langfristig sogar nur der Frequenzbereich zwischen 6,0 und
8,5 GHz sinnvoll nutzbar sein (vgl. Tabelle 2.1).
Diese aus technischer Sicht sehr restriktiven Beschränkungen für UWB sind durch die
Sorge möglicher Interferenzen mit anderen Funkdiensten in den von UWB
„mitbenutzten“ Frequenzbereichen begründet. Bedenken dieser Art, vor allem von
Betreibern etablierter Funkdienste in lizenzierten Frequenzbändern geäußert, sind in
Anbetracht der für die Lizenzen teilweise bezahlten Summen verständlich. Aus der Sicht
4
EIRP Sendeleistungslimit für UWB Geräte [dBm/MHz]
dieser Betreiber sollen UWB-Anwendungen zu keinen störenden Interferenzen mit den
eigenen Funkdiensten führen.
Vor diesem Hintergrund wird auch deutlich, dass der für UWB-Anwendungen erlaubte
Sendeleistungsdichtepegel nicht zufällig auf -41,3 dBm/MHz gesetzt wurde. Innerhalb
des gesetzlichen Rahmens, der im Wesentlichen (wenn auch mit einigen Abweichungen)
das US-amerikanische Pendant zur europäischen EMV-Richtlinie ist, legt nämlich die
FCC in den USA im Frequenzbereich 960 MHz – 40 GHz einen maximal erlaubten
Störaussendungspegel von ganz allgemeinen elektronischen Geräten („unintentional
radiators“) von 54 dBμV/m in 3 m Entfernung zum Prüfling fest, wobei bei der
entsprechenden Konformitätsprüfung eine Messbandbreite von 1 MHz und Verwendung
eines AVG-Detektors vorgeschrieben sind.
-20
ohne Störminderungstechnik bis 31.12.2010
ohne Störminderungstechnik nach dem 31.12.2010
-30
mit Störminderungstechnik
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
1
10
100
Frequenz [GHz]
Abbildung 2.1: Graphische Darstellung der maximalen mittleren EIRP Sendeleistungsdichten für UWB-Geräte gemäß der
aktuellen Entscheidung der Europäischen Kommission vom 21.Februar 2007 [2].
Eine einfache, auf der „Fernfeldbeziehung“
E2 P ⋅G
S=
=
Z 0 4πd 2
(2.1)
basierende Umrechnung, dieses Feldstärkepegels auf die entsprechende EIRPSendeleistungsdichte führt auf (Antennengewinn G=1):
P[1MHz ] = 4πd 2
E
2
[1MHz ]
Z0
= 4π ⋅ (3m ) ⋅
2
−6
54
20 2
(10 ⋅ 10 )
≈ 7,5 * 10 −8W / MHz ,
377Ω
(2.2)
was genau -41,3 dBm/MHz entspricht.
D.h., die von UWB-Geräten verursachten elektromagnetischen Immissionen liegen (im
Hinblick auf deren spektrale Dichte) maximal in einem Bereich wie sie auch von anderen
5
elektronischen (Nicht-Funk-)Geräten (z.B. Computer) auf Basis der US-amerikanischen
EMV-Vorschriften verursacht werden dürften. Natürlich ist anzumerken, dass übliche
elektronische Geräte, wie z.B. ein Computer mit einer Taktfrequenz im Bereich >
3,1 GHz, die erlaubte spektrale Dichte der Störaussendungen nicht über den gesamten
Frequenzbereich
„ausschöpfen“
wird,
sondern
nur
„schmalbandig“
(z.B.
Oszillatorfrequenz + Oberschwingungen) abstrahlen wird. UWB-Geräte werden, zur
Erreichung guter Übertragungsqualität, demgegenüber den Bereich unterhalb der
erlaubten Spektralmaske wesentlich dichter belegen und somit eine insgesamt
wesentlich größere Sendeleistung im gesamten betrachteten Frequenzbereich
abstrahlen. Trotzdem machen die oben angeführten Erläuterungen deutlich, dass die
von UWB-Geräten zu erwartenden Immissionen sehr gering sein werden, was
gleichzeitig auch deren beschränkten Aktionsradius von max. ca. 10 m festlegt.
Dass auch in Europa -41,3 dBm/MHz als maximale mittlere EIRP Sendeleistungsdichte
für UWB-Geräte festgelegt wurde, liegt wohl daran, dass die entsprechende EMV
relevante Fachgrundnorm EN 61000-6-3 in Europa Störaussendungslimits bis dato nur
bis 1 GHz festlegt. Im Frequenzbereich oberhalb von 1 GHz sind derzeit
Störaussendungslimits in Diskussion, jedoch derzeit noch nicht beschlossen1.
2.1.2 Einfache Abschätzung der Größenordnungen der Immissionen
Für die Abschätzung der Größenordnung der zu erwartenden UWB-Immissionen ist
zunächst die verwendete Impulsform bzw. die dazugehörige Form des
Frequenzspektrums bedeutsam, da die UWB-Regulierung lediglich Maxima der
spektralen Sendeleistungsdichte im Frequenzbereich zwischen 3.1 GHz und 10.6 GHz in
Form einer Spektralmaske festlegt (vgl. Abbildung 2.1 für die Verhältnisse in Europa).
Wie viel HF-Sendeleistung ein UWB-Gerät tatsächlich maximal abstrahlen kann, hängt
maßgeblich davon ab, wie effizient es die zugelassene Spektralmaske „ausfüllen“ kann.
Abbildung 2.2 versucht dies an einem einfachen Beispiel zu verdeutlichen. Aus Gründen
der Einfachheit wurde dazu nicht von den europäischen Verhältnissen, sondern von
einer maximalen mittleren EIRP-Sendeleistungsdichte von konstant -41,3 dBm/MHz im
Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz bis 10,6 GHz (entsprechend der FCC-Regulierung),
ausgegangen. Der zulässige mittlere EIRP-Sendeleistungsdichtepegel PSD kann gemäß
S SD =
PSD
4πd 2
(2.3)
einfach in den zugehörigen Leistungsflussdichtepegel SSD in Entfernung d zur Quelle
umgerechnet werden. Beispielsweise ergibt sich für d = 1 m Entfernung zur Quelle für
den maximalen mittleren spektralen Dichte-Pegel der Leistungsflussdichte S (vgl.
Abbildung 2.2)
S SD (1m )
10 ( −41,3dBm / MHz ) / 10
= 10 ⋅ log(
) = −52,3dB (mW / m 2 ) / MHz
2
4π (1m)
(2.4)
Die linke Seite der Abbildung 2.2 zeigt drei unterschiedliche Zeitverläufe von GaußImpulsen der elektrischen Feldstärke in 1 m Entfernung zu hypothetischen UWBQuellen, deren spektrale Dichtefunktion der äquivalenten mittleren Leistungsflussdichte
Einer der letzten Entwürfe einer neuen Version von EN61000-6-3 enthielt als Vorschläge für Störaussendungslimits im
Frequenzbereich von 1-3 GHz maximal zulässige Feldstärkepegel in 3 m Abstand von 50 dBμV/m (AVG) bzw. 70 dB μV/m
(PEAK). Auf diesen Vorschlag konnte man sich jedoch bisher nicht einigen.
1
6
gerade noch unterhalb des maximal zulässigen Niveaus von -52,3dB(mW/m2)/MHz liegt.
D.h., alle drei betrachteten hypothetischen UWB-Quellen wären somit (hinsichtlich des
Maximums der spektralen Sendeleistungsdichte) gerade noch konform zur FCCSpektralmaske. Die unterschiedliche Signalform der drei Quellen führt jedoch zu
unterschiedlichen Bandbreiten im Frequenzbereich, so dass die drei Quellen das
prinzipiell zur Verfügung stehende Spektrum (gesamter Bereich unterhalb der
Spektralmaske) unterschiedlich effizient ausnutzen.
Zeitbereich
Frequenzbereich
Elektr. Feldstärke in 1 m Entf. zur Quelle
Spektrale Dichte der äquivalenten
Leistungsflussdichte S, entsprechend
den Zeitverläufen für die elektrische
Feldstärke (links), in 1 m Entfernung zu
drei unterschiedlichen, FCC-konformen
UWB Quellen. Die spektrale Ausnutzung
(Effizienz) der Quellen ist stark
unterschiedlich
1.0
0.8
1
E(t) in V/m
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
0
1
2
3
4
-45
spektrale Dichte von S [dB(mW/m )/MHz]
1.0
2
0.8
E(t) in V/m
0.6
2
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
0
1
2
3
4
FCC-Spektralmaske für die Leistungsflussdichte
in 1 m Distanz zur Quelle
-50
-55
-60
-65
3
2
1
-70
2.0
1.0
4.0
6.0
8.0
Frequenz [GHz]
10.0
12.0
E(t) in V/m
0.8
0.6
0.4
3
0.2
0.0
Grafik: G.Schmid/ITM/ARC/2008
-0.2
0
1
2
Zeit [ns]
3
4
Abbildung 2.2: Zeitverläufe unterschiedlicher Gauß-Impulsformen der elektrischen Feldstärke und zugehörige spektrale Dichten
der äquivalenten Leistungsflussdichte in 1 m Distanz zur jeweiligen Quelle. Alle drei dargestellten Signalverläufe entsprechen
einer Quelle, die die Anforderungen der FCC-Spektralmaske für Indoor-UWB erfüllen (max. mittlere EIRP-Sendeleistungsdichte
von -41.3 dBm/MHz im Frequenzbereich 3.1 GHz bis 10.6 GHz).
Dies wird deutlich, wenn man die von den drei betrachteten Quellen verursachte
äquivalente Leistungsflussdichte, aus dem Integral der spektralen Dichtefunktion SSD
über den Frequenzbereich berechnet. Für die betrachteten drei hypothetischen UWBQuellen illustriert Abbildung 2.3 die unter Anwendung der Fernfeldbeziehung (2.1)
7
berechneten Werte für die resultierenden äquivalenten Leistungsflussdichten S und
äquivalenten elektrischen Feldstärken E in Abhängigkeit von der Entfernung. Zum
Vergleich sind auch die Verläufe von S und E für eine (theoretische) Quelle mit 100%
Ausnutzung der FCC-Spektralmaske dargestellt.
10
Leistungsflussdichte S, theoret. Maximum bei 100%
Ausnutzung der FCC-Spektralmaske
elektrische Feldstärke E, theoret. Maximum bei
100% Ausnutzung der FCC-Spektralmaske
0.1
2
S [mW/m ], E [V/m]
1
2
0.01
1
3
1
0.001
2
3
0.0001
0.1
1
10
Entfernung zur Quelle [m]
Abbildung 2.3: Verläufe der zu erwartenden resultierenden Leistungsflussdichten S (durchgezogene Linien) und elektrischen
Feldstärken E (strichlierte Linien) in Abhängigkeit von der Entfernung zu den 3 hypothetischen Quellen (vgl. Abbildung 2.2), bei
Anwendung der Fernfeldbeziehung (2.1). Zum Vergleich sind auch die Verläufe von S und E für eine (theoretische) Quelle mit
100% Ausnutzung der FCC-Spektralmaske dargestellt (rot).
Im Gegensatz zur US-amerikanischen Regulierung ist, wie bereits eingangs erwähnt, der
Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 10,6 GHz in Europa von UWB-Geräten nicht
durchgängig nutzbar, sondern es bleiben die Bereiche unterhalb von 3,4 GHz, zwischen
4,8 GHz und 6,0 GHz und oberhalb von 8,5 GHz ausgespart (Abbildung 2.1). Dies
bedeutet naturgemäß, dass die theoretische Obergrenze der Immissionsgrößen (bei
100% Ausnutzung der Spektralmaske) EU-konformer UWB-Geräte unterhalb jener von
FCC-konformen UWB-Geräten liegt. Zudem führt die Aussparung des Frequenzfensters
von 4,8 GHz bis 6,0 GHz, zumindest bei DS-UWB Geräten (also beim „echten ImpulsUWB“), zu besonderen Anforderungen hinsichtlich der Impulsformung, wenn man eine
nahezu 100% Ausnutzung der EU-Spektralmaske anstrebt (vgl. z.B. Abbildung 2.9 in [1]
oder allgemeiner und tief greifender in [4]). Mit OFDM-UWB bereitet die FrequenzAussparung insofern weniger Aufwand, als ganz einfach nur die entsprechenden TrägerFrequenzen ausgelassen werden müssen. UWB-Geräte für den europäischen
Massenmarkt, z.B. im Bereich der Consumer-Elektronik, werden sich wahrscheinlich
auch oft mit der Ausnutzung entweder des unteren (3,4 GHz – 4,8 GHz) oder des oberen
(6,0 GHz – 8,5 GHz) Subbandes begnügen, was die maximal zu erwartenden
äquivalenten
Leistungsflussdichten
weiter
reduziert.
Für
Geräte
ohne
Störminderungstechnik steht gemäß der EU-Regulierung ab 1.1.2011 ohnehin nur mehr
das obere Subband zur Verfügung, so dass für solche Geräte nur eine Bandbreite von
2,5 GHz zur Verfügung steht (nur ca. 33% der nach FCC zugelassenen Leistung). Geht
man von UWB-Geräten nach WiMedia-Standard ([5], [6]) aus, so ist zu berücksichtigen,
8
dass solche Geräte zu jedem Zeitpunkt pro Funkkanal (pro Time Frequency Code TFC)
immer nur ein 528 MHz breites Subband nutzen. Das verwendete Subband wird zwar in
regelmäßigen Zeitabständen gemäß der Definition des Multiband-OFDM gewechselt, die
Bandbreite der abgestrahlten HF-Leistung pro Funkkanal ist jedoch zu keinem Zeitpunkt
größer als die genannten 528 MHz. D.h., ein einzelner UWB-Funkkanal nach WiMediaStandard nutzt nur ca. 7% der gemäß FCC-Regulierung nutzbaren Sendeleistung (ca.
14% der gemäß EU-Regulierung zugelassenen Leistung für Geräte mit
Störminderungstechnik). Zusammenfassend bedeutet dies, dass die zu erwartenden,
von einem UWB-Gerät verursachten Immissionen vergleichsweise sehr gering sein
werden. Abbildung 2.4 zeigt die, mittels der Fernfeldbeziehung (2.1) abgeschätzten, zu
erwartenden maximalen Immissionswerte (Leistungsflussdichte und elektrische
Feldstärke) in Abhängigkeit der Entfernung zu UWB-Quellen mit unterschiedlicher
Ausnutzung des Spektrums. Es wird dabei deutlich, dass in Entfernungen von mehr als
50 cm zu einem in Europa zugelassenen UWB-Gerät die auftretenden maximalen
Feldstärkewerte sogar im Extremfall (100% Ausnutzung des Spektrums) nicht mehr als
0,2 V/m betragen werden.
10
S max FCC
S max EU mit Störminderungstechnik
S max EU ohne Störmind.techn. ab 2011
S max WiMedia (528 MHz)
E max FCC
E max EU mit Störminderungstechnik
E max EU ohne Störmind.stechn. ab 2011
E max WiMedia (528 MHz)
0.1
2
S [mW/m ], E [V/m]
1
0.01
0.001
0.0001
0.1
1
10
Entfernung zur Quelle [m]
Abbildung 2.4: Mittels Fernfeldbeziehung (2.1) berechnete Verläufe der zu erwartenden resultierenden Leistungsflussdichten S
(durchgezogene Linien) und elektrischen Feldstärken E (strichlierte Linien) in Abhängigkeit von der Entfernung zu einzelnen UWBQuellen unter der Annahme 100% Ausnutzung der angegebenen Spektralmasken.
Betrachtet man ein Gerät nach WiMedia-Standard, und es werden nach gegenwärtiger
Einschätzung der Situation wohl solche sein, die sich in nächster Zukunft am schnellsten
im Massenmarkt verbreiten werden, so liegt der zu erwartende Maximalwert der
äquivalenten elektrischen Feldstärke in 50 cm Entfernung sogar deutlich unter 0,1 V/m.
Die oben angestellten Überlegungen bilden eine wichtige Basis für die weiteren
Ausführungen hinsichtlich tauglicher Messmethoden für die Expositionserfassung in
UWB-Feldern, da aufgrund der sehr kleinen zu erwartenden Messgrößen, der
Empfindlichkeit der verschiedenen Messmethoden eine besonders große Rolle
zukommt.
9
2.2 Tauglichkeit unterschiedlicher Messverfahren für die
Expositionsbestimmung in UWB-Feldern
Im Folgenden werden die für die Expositionserfassung in hochfrequenten elektromagnetischen Feldern heute grundsätzlich verfügbaren Messmethoden im Hinblick auf deren
Tauglichkeit für die Immissionserfassung im Bereich von UWB-Geräten diskutiert. Die
Diskussion wird dabei im Hinblick auf UWB-Geräte entsprechend der gegenwärtigen
europäischen Funkregulierung für den Frequenzbereich 3.1 GHz -10.6 GHz geführt.
2.2.1 Breitbandmessungen (Feldsonden)
Breitbandmessungen mittels handelsüblicher Feldsonden müssen für die
Expositionserfassung in UWB-Feldern als für die Praxis untauglich eingestuft werden.
Obwohl grundsätzlich Feldsonden mit entsprechend großen Bandbreiten verfügbar sind,
stellen die begrenzte Empfindlichkeit und die fehlende Information über die spektrale
Zusammensetzung der erfassten Immissionsgröße die entscheidenden Schwachstellen
dieser Messmethode dar.
Die erreichbare Empfindlichkeit (Eigenrauschen) von Mikrowellen-Breitbandfeldsonden
mit Bandbreiten von mehreren Gigahertz ist üblicherweise nicht besser als ca. 0,1 V/m
bis 0,2 V/m, was gemäß den Ausführungen des voranstehenden Abschnitts (Abbildung
2.4) für die meisten praktischen Gegebenheiten deutlich zu gering sein wird.
Weiters ist zu bedenken, dass alle im Nutzfrequenzbereich der Feldsonde liegenden
Immissionen zum angezeigten Messwert beitragen. Im Fall von Immissionsmessungen
in Feldern herkömmlicher (schmalbandiger) HF-Quellen (z.B. Mobilfunk), kann dieser
Umstand oft toleriert werden, wenn davon ausgegangen werden kann, dass die
interessierende Quelle am Immissionsort (im Nutzfrequenzbereich der Sonde) dominant
ist. Aufgrund der geringen Sendeleistung von UWB-Geräten wird diese Voraussetzung in
der Praxis kaum als erfüllt angesehen werden können. Vielmehr ist zu erwarten, dass
der „elektromagnetische Hintergrund“, verursacht von diversen anderen HF-Quellen,
zumindest in der gleichen Größenordnung, bzw. in größerem Abstand zu UWB-Quellen
deutlich oberhalb dem UWB-Immissionsniveau liegt.
2.2.2 Messungen im Zeitbereich (mit Digital-Oszilloskop)
Unter „Messung in Zeitbereich“ wird im Folgenden die „direkte“ Messung der
Immissionsgröße, d.h. ohne deren Frequenzumsetzung verstanden. Für diese Art von
Messung bieten heute moderne und leistungsfähige Digital-Oszilloskope eine Vielzahl
von Möglichkeiten. Eine Recherche nach effizienten „UWB-Mess-Methoden“ führt heute
praktisch immer auf die Verwendung eines Breitband-Digital-Oszilloskops als
erstgenannte Methode. Dies ist einerseits rein intuitiv verständlich, da leistungsfähige
(=teure) Oszilloskope entsprechend große Messbandbreiten bieten, die den
Frequenzbereich von UWB-Geräten komplett abdecken können, was bei Geräten mit
Frequenzumsetzung (z.B. Spektrumanalysator) nicht möglich ist. Andererseits bietet die
Zeitbereichsmessung mit entsprechender Bandbreite im Vergleich zur Messung im
Frequenzbereich (mit Spektrumanalysator) auch wesentlich mehr Einblicke in die
Signaleigenschaften, wie z.B. Phasenbeziehungen zwischen Signalen, und moderne
Oszilloskope bieten zudem eine Vielfalt vorteilhafter Funktionen (z.B. Triggerfunktionen)
und Möglichkeiten der mathematischen Verarbeitung der Messgröße. All diese
Eigenschaften und Möglichkeiten der Zeitbereichsmessungen sind der Grund dafür, dass
im Bereich der UWB-Systementwicklung und UWB-Signalanalyse der Einsatz von
schellen, breitbandigen Digital-Oszilloskopen zum (notwendigen) Standard geworden
10
sind und daher diese Messmethode beim Stichwort „UWB-Messungen“ sofort die
erstgenannte Option ist. Die Zielsetzung bei der Erfassung der Exposition in UWBFeldern ist jedoch stark unterschiedlich zu jener der UWB-Systementwicklung und UWBSignalanalyse und damit muss die Tauglichkeit der Zeitbereichsmessungen für die
Immissionserfassung vor einem anderen Hintergrund diskutiert werden. Beispielsweise
ist die Verfügbarkeit von Phaseninformationen des Messsignals für die
Expositionserfassung in UWB-Feldern irrelevant, dafür ist aber, aufgrund der weiter oben
diskutierten geringen zu erwartenden Immissionswerte, hohe Empfindlichkeit der
Messmethode wichtig. Für Messungen im Zuge der UWB-Systementwicklung und UWBSignalanalyse ist die relativ geringe Empfindlichkeit der Oszilloskope weniger kritisch, da
die Messgröße dem Messgerät üblicherweise über Kabel zugeführt werden kann und
damit ausreichender Signalpegel vorliegt.
Bei der Immissionserfassung jedoch wird die Immissionsgröße mittels einer Antenne
erfasst und das Antennenausgangssignal dem Messgerät zugeführt und der dabei am
Eingang des Oszilloskops anliegende Signalpegel ist daher um mehrere
Größenordnungen geringer als im oben genannten Fall.
Leistungsfähige Digital-Oszilloskope mit Bandbreiten ≥ 10 GHz (siehe z.B. [9], [10])
bieten heute maximale Empfindlichkeitseinstellungen (bei Messungen über die gesamte
Bandbreite) von üblicherweise nicht unter 5 mV/div, wobei für das Eigenrauschen (Noise
Floor) in diesen Messbereichen ca. 0.5 mV in den Spezifikationen angegeben werden.
Für sinnvoll ablesbare Messergebnisse sollte sich das Nutzsignal vom
Rauschhintergrund zumindest um einen Faktor 2 abheben, also mindestens ca. 1 mV
(entsprechend ca. 60 dBμV) am Eingang des Oszilloskops betragen. Berücksichtig man
weiters, dass das Wandlungsmaß (Antennenfaktor) üblicher und handlicher BreitbandMessantennen für den hier interessierenden Frequenzbereich kaum besser als 3540 dB/m ist, entspricht dies, unter Vernachlässigung der Verluste im Messkabel, einer
elektrischen Feldstärke von mindestens 95-100 dBμV/m (entsprechend 0,06-0,1 V/m),
die noch sinnvoll gemessen werden kann. Vergleicht man diesen Wert mit Abbildung 2.4
so wird deutlich, dass damit die Immissionen typischer UWB-Geräte, wie z.B., nach
Wimedia-Standard, nur mehr in Entfernungen von unter 1 m zum Gerät möglich sein
wird. Berücksichtigt man weiters Verluste im Messkabel und die Tatsache, dass die in
Abbildung 2.4 dargestellten Verhältnisse nur für die maximal erlaubte Sendeleistung und
nur in Hauptstrahlrichtung gelten (wegen EIRP-bezogener Definition der Regulierung),
wird die Entfernung in der die UWB- Immissionen eines solchen Gerätes noch messbar
sind, wohl eher im Bereich unterhalb von 0,5 m zur Quelle liegen.
2.2.3 Frequenzselektive Messungen (mit Spektrumanalysator)
Bei der frequenzselektiven Messung mittels Spektrumanalysator erfolgt vor der
eigentlichen Auswertung der Messgröße eine analoge Frequenzumsetzung auf eine fix
festgelegte Zwischenfrequenz. Im Hinblick auf die Signalamplitude kann dies mit
entsprechendem schaltungstechnischem Aufwand sehr präzise und mit hoher
Messdynamik, allerdings nur mit eingeschränkter Bandbreite erfolgen. Spektrumanalysatoren der mittleren Preisklasse bieten heute üblicherweise Messbandbreiten
(Auflösebandbreiten) bis etwa 5 MHz an. Bei Messungen von Signalen mit größerer
Bandbreite müssen die erfassten Messwerte entsprechend dem Verhältnis zwischen
Signalbandbreite und äquivalenter Rauschbandbreite des Spektrumanalysators korrigiert
werden. Mit Mittelklasse-Spektrumanalysatoren (ab ca. 25.000,- Euro) sind bei z.B.
100 kHz Auflösebandbreite sehr geringe Eigenrauschpegel von ca. -100 dBm
(entsprechend 7 dBμV bzw. ca. 2-3 μV) erreichbar. Wieder einen ausreichenden
Abstand zum Hintergrundrauschen vorausgesetzt sind damit Signalstärken am Detektor
11
des Spektrumanalysators von 10 dBμV gerade noch sinnvoll messbar. Aufgrund der
beschränkten Auflösebandbreite steht bei der Messung mit dem Spektrumanalysator
allerdings nur ein Bruchteil der UWB-Signalleistung als Messgröße zur Verfügung. Für
das obige Beispiel mit 100 kHz Auflösebandbreite und einem UWB-Gerät nach WiMediaStandard mit 528 MHz Bandbreite beträgt der Faktor zwischen tatsächlich anstehender
Immissionsleistung und auswertbarer Leistung ca. 5000, entsprechend ca. 37 dB. Mit
dieser „Einbuße“ von ca. 37 dB zufolge der geringen Auflösebandbreite2 und dem oben
abgeschätzten Mindestsignalpegel am Eingang von ca. 10 dBμV ergibt sich daher,
umgelegt auf die gesamte WiMedia-Signalbandbreite von 528 MHz, ein notwendiger
Signalpegel am Eingang des Spektrumanalysators von ca. 47 dBμV. Mit den oben
bereits erwähnten typischen Wandlungsmaßen (Antennenfaktoren) entsprechender
Messantennen von ca. 35-40 dB/m entspricht dies unter Vernachlässigung der Verluste
im Messkabel, einer elektrischen Feldstärke von mindestens 82-87 dBμV/m
(entsprechend ca. 0,01-0,02 V/m) die noch sinnvoll gemessen werden kann. D.h., die
frequenzselektive Messung ist der oben diskutierten Zeitbereichsmessung hinsichtlich
der erreichbaren Messempfindlichkeit überlegen. Umgelegt auf die Entfernung zu der als
Beispiel angenommenen UWB-Quelle in der ihre Immissionen noch nachgewiesen
werden können, ergibt sich in diesem Fall (maximal erlaubte Sendeleistung des Gerätes,
Messung in Hauptstrahlrichtung) ein Wert von ca. 3 m (vgl. Abbildung 2.4). Unter
realistischeren Annahmen (Berücksichtigung von Verlusten im Messkabel, nicht
maximale Sendeleistung, Messung nicht in Hauptstrahlrichtung wird diese Entfernung
möglicherweise eher bei ca. 1 m liegen.
2.2.4 SAR-Messungen bei körpernahen UWB-Sendern
Neben der Messung der UWB-Immissionen im Fernfeld der Quellen in Form von
Feldstärke- bzw. Leistungsflussdichtemessungen stellt sich auch die Frage nach den
Möglichkeiten für die Erfassung der lokalen Exposition bei körpernah betriebenen
Geräten (SAR-Messung). Die im Zusammenhang mit vielen Endgeräten der
herkömmlichen Funktechnologien routinemäßig durchgeführten SAR-Messungen stoßen
bei der Betrachtung von UWB-Geräten an ihre Grenzen. Dies ist vor allem durch zwei
Gegebenheiten begründet.
Einerseits können regulierungskonforme UWB-Geräte aufgrund ihrer geringen
Sendeleistung nur zu SAR-Werten führen, die in den meisten Fällen deutlich unterhalb
der Empfindlichkeit der gegenwärtig verfügbaren SAR-Messtechnik von ca. 0,005 mW/g
liegen (je nach Frequenzbereich und Gewebe simulierender Flüssigkeit). Um dies zu
zeigen, kann zunächst die theoretische Obergrenze (100% Ausnutzung des gesamten
verfügbaren Frequenzbereiches) für die mittlere EIRP-Sendeleistung PEIRP,max von UWBGeräten leicht aus
PEIRP ,max [mW ] = B[MHz ]⋅10 ( −41,3dBm / MHz ) / 10
(2.5),
berechnet werden, wobei B für die insgesamt belegte Bandbreite steht. Tabelle 2.2 fasst
diese Obergrenzen der EIRP-Sendeleistungen für unterschiedliche Regulierungsvorgaben zusammen. Geht man von der rein theoretischen Annahme aus, dass die
gesamte abgestrahlte Leistung eines solchen Gerätes zur Gänze in einem, genau der
Mittelungsmasse entsprechenden Volumen absorbiert wird, ergeben sich die in der
2 Eine Erhöhung der Auflösebandbreite (z.B. auf das Maximum, typ. 5 MHz) bringt keinen Vorteil, da sich dadurch nicht nur der
Nutzsignalanteil, sondern in gleichem Maße auch die Rauschleistung erhöht.
12
äußerst rechten Spalte von Tabelle 2.2 angegebenen Werte für die über 1g bzw. über
10g gemittelte SAR. Es ist daraus klar erkennbar, dass in der Praxis, mit einer räumlich
kompliziert verteilten Absorption nur eines Bruchteils der Sendeleistung, die maximalen
SAR-Werte typischerweise unterhalb der Empfindlichkeit der gegenwärtigen SARMesstechnik liegen werden.
Regulierung
FCC (USA)
EU mit Störminderungstechnik
EU ohne Störmind.technik bis 31.12.2010
EU ohne Störmind.technik ab 01.01.2011
WiMedia-Standard (1 Kanal mit 528 MHz)
nutzbare
GesamtBandbreite
B [MHz]
7500
3900
3100
2500
5128
theoret. Obergrenze der
EIRP-Sendeleistung
PEIRP,max [mW]
0,556
0,289
0,230
0,185
0,039
theoret. Obergrenze
der lokalen SAR
SAR1g / SAR10g
[mW/g]
0,556 / 0,056
0,289 / 0,029
0,230 / 0,023
0,185 / 0,019
0,039 / 0,004
Tabelle 2.2: Theoretische Obergrenzen der Sendeleistung für UWB-Geräte im Frequenzbereich zwischen 3,1 und 10,6 GHz
gemäß den unterschiedlichen Regulierungsvorgaben.
Die Tatsache, dass die gegenwärtig verfügbaren SAR-Messsonden üblicherweise eine
obere Frequenzgrenze von 6 GHz besitzen, wäre zwar ebenfalls zum gegenwärtigen
Zeitpunkt ein Problem, die Erweiterung der Sondentechnik auf einen breiteren
Frequenzbereich (bis 10,6 GHz) ist allerdings, technologisch gesehen, eine wesentlich
geringere Herausforderung im Vergleich zur doch deutlich zu geringen Empfindlichkeit.
Ein weiteres gegenwärtiges Problem im Hinblick auf SAR-Messungen bei körpernahem
Betrieb von UWB-Sendegeräten, sind die dielektrischen Eigenschaften der notwendigen
Gewebe simulierenden Phantommaterialien (Flüssigkeiten). Obwohl für die wichtigsten
Körpergewebe dispersive Gewebemodelle verfügbar sind [7], sind keine
wissenschaftlichen Arbeiten bekannt, die sich mit der Entwicklung von entsprechend
breitbandigen Gewebe simulierenden Flüssigkeiten befassen. Wie schwierig es ist die
dispersiven Eigenschaften der Körpergewebe durch repräsentative Gewebe
simulierende Flüssigkeiten über einen Frequenzbereich von mehreren hundert MHz bzw.
sogar einige GHz nachzubilden, ist schon allein daran zu erkennen, dass für die
gegenwärtig routinemäßig durchgeführten SAR-Messungen mit schmalbandigen
Geräten, für praktisch jedes Frequenzband eigene Flüssigkeiten verwendet werden
müssen (z.B. GSM900/GSM1800/UMTS/WLAN).
Schließlich, eng mit der Problematik der dispersiven Gewebeeigenschaften verknüpft,
besteht das Problem, dass der Kalibrierfaktor der gegenwärtigen SAR-MesssondenTechnologie eine Funktion der dielektrischen Parameter ε und σ der Gewebe
simulierenden Flüssigkeit ist. Da ε und σ aufgrund der Dispersion frequenzabhängig
sind, folgt daraus auch die Frequenzabhängigkeit der Sonden-Kalibrierfaktoren. Die
spektrale Zusammensetzung der absorbierten Leistung im Gewebe (in der Flüssigkeit)
wird räumlich nicht konstant sein, da z.B. höherfrequente Spektralanteile eher
oberflächlich und niederfrequente Spektralanteile auch noch in tieferen
Gewebeschichten absorbiert werden. Daraus ergibt sich das Problem, dass abhängig
von der Sondenposition (Sondentiefe im homogenen Material), bzw. abhängig von der
spektralen Zusammensetzung der SAR am Messort unterschiedliche Kalibrierfaktoren
anzuwenden wären. Da jedoch SAR-Messsonden keine Frequenzinformation der
Messgröße liefern können, besteht hier ein grundsätzliches Problem. Wissenschaftliche
Untersuchungen
zu
diesem
Problemkreis,
bzw.
über
die
zusätzlichen
Messunsicherheiten bei Verwendung der gegenwärtigen Sondentechnologie und nur in
13
grober Näherung angepasster Gewebe simulierender Flüssigkeiten, sind bisher keine
bekannt. Formal, aus der Sicht der Konformitätsprüfung von Geräten hinsichtlich des
Personenschutzes, besteht aus heutiger Sicht allerdings auch kein Anlass dazu, da für
alle zur gegenwärtigen Regulierung konformen UWB-Geräte aufgrund ihrer geringen
Sendeleistung kein expliziter Nachweis zur Einhaltung der SAR-Basisgrenzwerte zu
erbringen ist. Z.B. kann in Europa gemäß EN 50371 [8], basierend auf der auch Tabelle
2.1 zugrunde liegenden Überlegungen, für alle Funksendegeräte mit einer mittleren
Sendeleistung ≤ 20 mW implizit die Konformität mit den europäischen Basisgrenzwerten
angenommen werden. Da die zeitgemittelte SAR bei kurzen energiereichen Impulsen,
mit relativ großen Impulswiederholzeiten, nur ein adäquates Maß für die
Gewebeerwärmung darstellt, aber keine Aussage hinsichtlich thermoelastischer
Expansionseffekte im Gewebe erlaubt, schreibt EN 50371 [8] zusätzlich auch Limits für
die spezifische Absorption SA pro Impuls vor. Für gepulste Felder mit Impulsdauer
weniger als 30 μs und Impulswiederholraten von weniger als 100 Hz gilt gemäß EN
50371 für die maximale mittlere Sendeleistung Pmax= 20 x fImp [mW] unterhalb der
implizit die Konformität mit den Basisgrenzwerten angenommen werden kann (fImp …
Impulswiederholfrequenz in Hertz).
Zusammenfassend lässt sich daher sagen, dass die messtechnische Erfassung von
UWB-Immissionen, aufgrund der sehr geringen zu erwartenden Sendeleistungen in den
meisten Fällen nur in unmittelbarer Nähe zu den Quellen sinnvoll und möglich ist.
Hinsichtlich der Tauglichkeit der prinzipiell verfügbaren Messmethoden sind
frequenzselektive Methoden mit Spektrumanalysator aufgrund deren höherer
Empfindlichkeit besser geeignet, als die Zeitbereichsmethode mit breitbandigen DigitalOszilloskopen. Auch hinsichtlich des finanziellen Aufwands sind Messungen mit
Spektrumanalysator zu bevorzugen, da hinsichtlich Messempfindlichkeit bereits
Spektrumanalysatoren der preislichen Mittelklasse (ab ca. 25.000,- Euro) für die hier
diskutierte Aufgabenstellung besser geeignet sind als die hierfür notwendigen DigitalOszilloskope mit Messbandbreiten von mehr als 10 GHz (unteres Preisniveau ca.
70.000,- Euro).
Breitband-Immissionsmessungen mit Feldsonden, sowie SAR-Messungen bei körpernah
betriebenen UWB-Geräten, werden in den meisten Fällen aufgrund ihrer relativ geringen
Empfindlichkeit für UWB-Messungen nicht sinnvoll einsetzbar sein.
Einblicke in die Absorptionsverteilung bei köpernaher Exposition durch UWB-Geräte,
können daher gegenwärtig nur auf Basis numerischer Feldberechungsmethoden
gewonnen werden (siehe Kapitel 3).
2.3 Ermittlung praxistaugliche Messparameter anhand von
Messungen unter Laborbedingungen
Um die im vorangegangenen Kapitel angestellten theoretischen Überlegungen
experimentell
zu
untermauern,
bzw.
um
sinnvolle
Messparameter
für
Immissionsmessungen und die damit verknüpften Messunsicherheiten zu ermitteln,
wurden Messungen an UWB-Geräten unter kontrollierten Laborbedingungen
durchgeführt. Da aufgrund der Verzögerungen bei der europäischen UWB-Regulierung
(siehe [1] bzw. Kapitel 4) am europäischen Markt nach wie vor noch keine UWBProdukte erhältlich sind, wurden 2 auf dem US-amerikanischen Markt erhältliche
Produkte (konform zur FCC-UWB-Regulierung) für die Messungen verwendet. Alle
Messungen fanden, zur Vermeidung von Interferenzen mit bestehenden Funkdiensten in
einem geschirmten HF-Labor statt.
14
Bei einem der Produkte handelt es sich um ein UWB-Evaluation Kit der Firma Time
Domain [11], das nach dem „echten“ Impuls-basierten UWB-Prinzip arbeitet.
Das zweite untersuchte Produkt ist das erste erhältliche UWB-DatenkommunikationsMassenprodukt, der „Cable-free USB-Hub“ der Firma Belkin [12], der nach dem
WiMedia-Standard, d.h., mit MB-OFDM-UWB arbeitet.
2.3.1 Messungen an einer Multiband-OFDM-UWB Quelle nach dem WiMedia
Standard
Spezifikationen des untersuchten Gerätes
Für die Messungen wurde der Cable-Free USB Hub (Model No. F5U301, Fa. Belkin
International, Inc.) verwendet. Bei diesem Gerät handelt es sich um das weltweit erste
am Massenmarkt verfügbare UWB-Produkt nach WiMedia-Standard. In der derzeit
verfügbaren und hier untersuchten Version entspricht das Gerät nur der UWBRegulierung nach FCC und ist daher in Europa nicht zugelassen. Das Gerät besteht aus
einem USB-Dongle der direkt an eine USB-Schnittstelle des Computers angeschlossen
wird und einem dazugehörigen Hub für den Anschluss von bis zu 4 Peripheriegeräten.
Zwischen dem Hub und dem USB-Dongle werden die Daten mittels MB-OFDM-UWB
übertragen. Bei guten Empfangsbedingungen, d.h. geringer Distanz zwischen USBDongle und Hub, sind damit bis zu 480 MBit/s Bruttodatenrate möglich.
Abbildung 2.5: Cable-Free USB Hub der Fa. Belkin International, Inc.; links: USB-Dongle, rechts: Hub
Für die Übertragung wird nur die Bandgruppe 1, d.h., die drei jeweils 528 MHz breiten
Kanäle mit den Mittenfrequenzen 3432, 3960, 4488 MHz verwendet, und als Time
Frequency Codes (TFC) stehen nur TFC1, TFC2, TFC5, TFC6 und TFC7 zur Verfügung
(vgl. Kapitel 2.3.3 in [1]). Die Auswahl des TFC kann entweder automatisch oder manuell
über eine Konfigurationssoftware erfolgen.
Als maximale Sendeleistung wird im Handbuch zum Gerät 80 μW bzw. -41,25 dBm/MHz)
angegeben.
15
Untersuchungen zu den emittierten Signalformen
Um das Zeitverhalten der emittierten HF-Signale des Gerätes zu untersuchen wurden
zunächst Messungen kabelgebunden, d.h. direkt an einem Antennenausgang des Hubs
durchgeführt (Abbildung 2.6). Die Funkverbindung zwischen Dongle und Hub konnte
über die zweite Antenne des Hubs (offensichtlich zu Diversity-Zwecken vorhanden)
aufrecht erhalten werden. Als Datenquelle zur Generierung von konstantem
Datentransfer diente ein herkömmlicher USB-Stick.
Stromversorgung
für Hub
Belkin UWB-Dongle
USB-Stick als
Datenquelle
USB-Verbindung
zum Computer
UWBFunkverbindung
Hub-Antenne 1
Hub-Antenne 2
(abmontiert)
UWB Hub
Kabel zum
Messgerät
Abbildung 2.6: Messungen am Antennenausgang des Belkin Cable-Free USB Hub
Als Messgerät wurde in diesem Fall ausschließlich ein Spektrumanalysator (Agilent
E4405B) verwendet, da aufgrund des Rauschcharakters von OFDM Signalen für die hier
interessierenden Fragestellungen die Messung mittels Digitaloszilloskop keinen Vorteil
gegenüber Messungen im Zerospan-Modus des Spektrumanalysators bringen.
Abbildung 2.7 zeigt Zeitverläufe des Sendesignals des UWB-Hubs bei voller Auslastung
mit einer Datenübertragung von einem am Hub angeschlossenen USB-Stick zum UWBDongle am Computer. Zufolge der relativ komplexen und teilweise flexiblen
Rahmenstruktur des Übertragungsstandards erfolgt die HF-Abstrahlung in Form von
Bursts (konstanter Amplitude), abhängig vom gerade zu bewältigenden Datenverkehr. Im
Zustand ohne Datenübertragung erfolgt lediglich die regelmäßige Aussendung von
Beacon Signalen (Abbildung 2.8). Hinsichtlich der Immissionserfassung liegen die
Verhältnisse daher sehr ähnlich wie im Fall von WLAN (vgl. z.B. [13]), d.h. die mittleren
Immissionen können, je nach Datenverkehrssituation, über mehrere Größenordnungen
schwanken.
Ebenso wie im Fall von WLAN ist, aufgrund der stochastischen Signalcharakteristik des
MB-OFDM Übertragungsverfahrens, für die korrekte Erfassung der Immissionen die
Verwendung eines RMS-Detektors erforderlich. Die Verwendung eines PEAK-Detektors
führt unweigerlich zu systematischen Überschätzungen der Immissionen. Dieser
Sachverhalt ist in Abbildung 2.9 dargestellt. Das Bild zeigt die Ergebnisse von
Messungen am HF-Ausgang des Hubs während einer Datenübertragung vom USB-Stick
zum Computer, wobei Time Frequency Code TFC 1 für die Übertragung verwendet
16
wurde, d.h., die Übertragung erfolgt in sequentiell wiederholter Abfolge in den
Frequenzbändern 1, 2 und 3. Die Messung erfolgte einmal mit PEAK-Detektor im
MAXHOLD-Modus (blaue Kurve), einmal mit RMS-Detektor im MAXHOLD-Modus (rote
Kurve) und einmal mit RMS-Detektor und Zeitmittelung über 3 Sekunden. Die
MAXHOLD bzw. Mittelungsfunktion bedingt, dass im dargestellten Messergebnis alle 3
Bänder in gleichem Maß aufscheinen, obwohl tatsächlich zu jedem Zeitpunkt immer nur
in einem der Bänder gesendet wird.
100 ms
10 ms
5 ms
1 ms
100 μs
Abbildung 2.7: Zeitverlauf (Amplituden nur qualitativ) des Sendesignals des Belkin Cable-Free USB (UWB) Hub bei voller
Auslastung durch eine Datenübertragung von einem USB-Stick zum UWB-Dongle am Computer in schrittweise größer werdenden
zeitlicher Auflösung.
17
10 s
Abbildung 2.8: Aussendung des Beacon Signals im Ruhezustand (d.h. ohne Datenübertragung vom USB-Stick zum Computer)
Aus dem Vergleich von blauer und roter Kurve kann leicht abgelesen werden, dass die
Messung mit PEAK-Detektor zu systematischen Überbewertungen von mehr als 1015 dB führt. Der Vergleich von roter und grüner Kurve zeigt das Verhältnis von
Maximalimmission und mittlerer Immission, das im vorliegenden Fall einer
durchgehenden Datenübertragung während des Beobachtungszeitraumes ca. 5 dB (ca.
Faktor 3,2 hinsichtlich der Leistung) beträgt. Dieses Verhältnis von Maximalimmission zu
mittlerer Immission kann auch schon aus den Zeitverläufen in Abbildung 2.7 abgeschätzt
werden. Für andere Datenverkehrszustände kann dieses Verhältnis natürlich vom
genannten Wert abweichen. Beispielsweise führt eine Verdichtung des Datenverkehrs
(z.B. Übertragung von mehrere Datenquellen gleichzeitig) zu einer Annäherung dieses
Verhältnisses an 1. Umgekehrt werden Unterbrechungen der Datenübertragung, bzw.
die Übertragung von nur geringen Datenmengen zu einer drastischen Verringerung des
Zeitmittelwertes der Immissionen führen.
Band 1
Band 2
Band 3
Bandgruppe 1 nach Def. des WiMedia Standards
Abbildung 2.9: Messung im Frequenzbereich am HF-Ausgang des Belkin Cable-Free USB (UWB) Hub während einer
Datenübertragung mit Time Frequency Code TFC1. Vergleich von Messungen mit PEAK-Detektor im MAXHOLD Modus (blaue
Kurve), RMS-Detektor im MAXHOLD Modus und RMS-Detektor mit Mittelungsfunktion (Mittelung über 3 s)
In Abbildung 2.10 sind die Ergebnisse der Messungen der zeitgemittelten (3 s) HFAusgangsleistung für die 5 unterschiedlichen, beim untersuchten Belkin Cable-Free
USB-Hub möglichen Time Frequency Codes TFC1, TFC2, TFC5, TFC6 und TFC7
dargestellt. Die Messungen wurden wieder während einer Datenübertragung vom USB18
Stick (Datenquelle) zum Computer durchgeführt. Auffallend ist dabei, dass bei
Übertragung mit TFC 1 und TFC 2 die mittlere Sendeleistung ca. 8 dB höher ist, als bei
Übertragung mit TFC 5, TFC 6 und TFC 7, was offensichtlich eine (nicht näher
spezifizierte) Eigenschaft des untersuchten Gerätes ist (vgl. Band Power Werte, jeweils
rechts oben in den Teilbildern von Abbildung 2.10).
f1
f2
f3
f1
TFC 1
(f1, f2, f3, f1, f2, f3, f1, …)
f1
TFC 5
(f1, f1, f1, f1, f1, f1, f1, …)
f2
f3
TFC 2
(f1, f3, f2, f1, f3, f2, f1, …)
f2
TFC 6
(f2, f2, f2, f2, f2, f2, f2, …)
f3
TFC 7
(f3, f3, f3, f3, f3, f3, f3, …)
Abbildung 2.10: Messungen der zeitgemittelten (3 s) HF-Ausgangsleistung für die 5 unterschiedlichen, beim untersuchten Belkin
Cable-Free USB-Hub möglichen Time Frequency Codes TFC1, TFC2, TFC5, TFC6 und TFC7.
Optimierung der Messparameter
Zur Ermittlung der optimalen Messparameter für Immissionsmessungen in den HFFeldern von MB-OFDM-UWB Geräten wurden Referenzmessungen gemäß Abbildung
2.11 durchgeführt. Der mit dem Leistungsmesser ermittelte Wert diente dabei als
Referenzwert (thermischer Messkopf liefert zuverlässig den wahren Effektivwert).
Für die Messungen wurde wieder eine Datenübertragung vom USB-Stick zum Computer
durchgeführt, wobei Time Frequency Code TFC 6 verwendet wurde.
Die Messungen mit Spektrumanalysator wurden grundsätzlich mit RMS-Detektor und
ausreichender Sweep time von 300 ms durchgeführt. Auflösebandbreite (RBW) und
Videobandbreite (VBW) wurden in sinnvollen Grenzen variiert und die damit erhaltenen
Messwerte (Band Power Messungen) mit dem Referenzwert verglichen.
Der mit dem Leistungsmesser ermittelte Referenzwert ergab sich zu -31,8 dBm mit einer
Schwankungsbreite von ± 0,12 dBm in einem Beobachtungszeitraum von 10 Sekunden.
Wie Tabelle 2.3 zeigt, sind mit geeigneten Einstellungen am Spektrumanalysator
grundsätzlich sehr präzise Messungen möglich. Im Zuge von Immissionsmessungen in
der Praxis wir daher der in Zusammenhang mit dem Spektrumanalysator anzusetzende
Beitrag zur Gesamt-Messunsicherheit gegenüber den anderen Unsicherheitsquellen
(Schwankungen des Datenverkehrsaufkommens, Isotropie der Messantenne, usw.)
vernachlässigt werden können.
19
HF-Ausgang
(interne Antennenbuchse Antenne 1)
Belkin Cable-Free
USB-Hub
Spektrumanalysator
Agilent E4405B
Thermischer
Leistungsmesskopf
Agilent 8141 A
Leistungsmesser
Agilent E4411B
Abbildung 2.11: Schema der durchgeführten Referenzmessungen mit dem Belkin Cable-Free USB Hub. Die mittlere HFAusgangsleistung wurde alternativ mit Spektrumanalysator oder thermischem Leistungsmesskopf bestimmt.
Gesamtleistung (Band Power) im Übertragungskanal (3 s Mittelwert, Beobachtungszeitraum 10 s)
Referenzwert -31,8 ± 0,12 dBm
Agilent
RBW
E4405B
100 kHz
300 kHz
1 MHz
3 MHz
300 kHz - 31,95± 0,3 dBm
VBW
1 MHz
- 31,90± 0,3 dBm - 31,85± 0,3 dBm
3 MHz
- 31,78± 0,3 dBm - 31,81± 0,3 dBm - 32,70± 0,2 dBm - 33,60± 0,1 dBm
Tabelle 2.3: Ergebnis der Referenzmessungen mit unterschiedlichen Kombinationen von Auflösebandbreiten (RBW) und
Videobandbreiten (VBW)
Zusammenfassend können aus dem oben gesagten daher die folgenden
Spektrumanalysator-Einstellungen für Immissionsmessungen in den Feldern von MBOFDM-UWB-Geräten empfohlen werden:
Messung der mittleren Immissionen:
•
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time >100 ms (bei 201 Frequenzpunkten)
VBW so hoch wie möglich (üblicherweise 3 MHz)
RBW mindestens Faktor 10 unter VBW
Band Power Messungen über gesamten UWB-Frequenzbereich (lt. Gerätespez.)
Mittelung der Band Power Messungen über gewünschtes Zeitintervall
Messung der Maximal- Immissionen:
•
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time >100 ms (bei 201 Frequenzpunkten)
VBW so hoch wie möglich (üblicherweise 3 MHz)
RBW mindestens Faktor 10 unter VBW
MAXHOLD
Korrektur des maximal gemessenen Wertes entsprechend dem Verhältnis von
Signalbandbreite (z.B. ca. 500 MHz bei WiMedia-Gerät) zu äquivalenter Rauschbandbreite3
des Spektrumanalysators
Die äquivalente Rauschbandbreite des Spektrumanalysators wird aus der Auflösebandbreite RBW multipliziert mit einem
Korrekturfaktor für die Form des ZF-Filters (in den Spezifikationen des Spektrumanalysators angegeben) berechnet. Dieser
Korrekturfaktor liegt für üblicherweise eingesetzte ZF-Filter zwischen 1,065 und 1,129.
3
20
Stellt der Spektrumanalysator keine Möglichkeiten für Band Power Messungen zur
Verfügung, besteht auch die Möglichkeit die mittleren Immissionen aus den MaximalImmissionswerten und nachträglicher Gewichtung mit dem effektiven Duty Cycle4 des
Immissionssignals abzuschätzen. Die Abschätzung des effektiven Duty Cycles erfolgt im
Zero-Span Modus des Spektrumanalysators. Detektor Typ, RBW, VBW sind dabei relativ
unkritische Größen, obwohl bei Messungen sehr kleiner Signalpegel (nur knapp über
dem Rauschen, wie für UWB-Signale zu erwarten) der PEAK-Detektor am sinnvollsten
erscheint. Soweit sinnvoll und machbar können Trigger-Funktionen, oder aber auch
einfach Snapshots der Anzeige verwendet werden. Keinesfalls darf zur Bestimmung des
effektiven Duty Cycles die MAXHOLD Funktion aktiviert sein. Die Sweep Time ist
schrittweise zu verkleinern/vergrößern, so dass die Abschätzung des effektiven Duty
Cycles über sinnvolle Beobachtungszeiträume möglich ist. Zu beachten ist dabei
allerdings, dass die Abschätzung des effektiven Duty Cycles auf diese Art nur bei den
Frequency Codes TFC5, TFC6 und TFC7 in jeder Bandgruppe erfolgen kann, da nur in
diesen Fällen sich die Sendefrequenz nicht ändert. Bei allen anderen Time Frequency
Codes ist zu bedenken, dass sich die Sendefrequenz in regelmäßigen Abständen
innerhalb der Bandgruppe ändert, d.h., bei einer Messung im Zero Span Mode (d.h. auf
genau einer (Mitten)frequenz innerhalb der Bandgruppe wird nur ein etwa Drittel aller
tatsächlich abgestrahlten HF-Bursts sichtbar sein.
Typische Immissionswerte
Nach den oben angeführten systematischen Messungen wurde schließlich versucht die
UWB-Immissionen in der Umgebung eines Computer-Arbeitsplatzes an dem der Belkin
Cable-Free USB Hub verwendet wurde zu messen.
Zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Datenübertragung während der Messungen
wurde wieder eine große Datei von einer am UWB-Hub angeschlossenen Datenquelle
zum Computer übertragen.
Die Messungen erfolgten mittels Spektrumanalysator mit den oben angeführten
Messparametern, wobei die 3 folgenden unterschiedlichen Antennentypen verwendet
wurden:
Messantenne 1 [14]: Precision Omindirectional Dipole POD16 (1-6 GHz),
Hersteller: Austrian Research Centers GmbH-ARC
Antennenfaktor im Messfrequenzbereich (3,1 - 4,8 GHz): ca. 43-48 dB/m
Messantenne 2 [15]: Log. Per. Antenne SAS 200/518 (1-18 GHz),
Hersteller: Rohde und Schwarz GmbH
Antennenfaktor im Messfrequenzbereich (3,1 - 4,8 GHz): 33-37 dB/m
Messantenne 3 [16]: Doppelsteghornantenne Model 3115 (1-18 GHz),
Hersteller: EMCO
Antennenfaktor im Messfrequenzbereich (3,1 - 4,8 GHz): 31-34 dB/m
Messungen in 0,5 m und 1 m Abstand zum Gerät wurden durchgeführt, wobei isotrop
gemessen wurde (12 Einzelmessungen mit Log.Per.- bzw. Horn-Antenne, 3 Einzelmessungen mit POD-Antenne). Tabelle 2.4 fasst die resultierenden Messergebnisse
Unter dem effektiven Duty Cycle wird in diesem Zusammenhang das Verhältnis der Summe aller Zeitintervalle in denen HFLeistung innerhalb der Beobachtungsdauer abgestrahlt wird zur Beobachtungsdauer verstanden.
4
21
zusammen (alle Messwerte bezüglich
Kabelverluste bereits korrigiert).
Auflösebandbreite,
Distanz: 1m
Mittlere Immission
Max. Immission
(Band Power Messung)
POD-Antenne
Log.Per.Antenne
Horn-Antenne
E
[V/m]
0,011
0,010
S
[mW/m2]
0,00035
0,00027
(RMS-Det., MAXHOLD)
E
[V/m]
0,021
0,018
S
[mW/m2]
0,00117
0,00086
Antennenfaktor
und
Distanz 0,5 m
Mittlere Immission
Max. Immission
(Band Power Messung)
E
[V/m]
0,026
0,030
0,023
S
[mW/m2]
0,00186
0,00232
0,00139
(RMS-Det., MAXHOLD)
E
[V/m]
0,046
0,053
0,040
S
[mW/m2]
0,00561
0,00745
0,00424
Tabelle 2.4: Ergebnisse der Immissionsmessungen in 0,5 m und 1 m Abstand zum Belkin-Cable-Free-USB Hub
Die mit den unterschiedlichen Messantennen erfassten Messwerte zeigen gute
Übereinstimmung. Bei der Messung mit der POD-Antenne lagen, aufgrund des im
Vergleich zur Log.Per.- und Horn-Antenne um ca. 10-12 dB höheren Antennenfaktors die
Immissionen in 1 m Entfernung zur Quelle bereits unterhalb der Nachweisgrenze. Diese
Tatsache stimmt gut mit den in Kapitel 2.2 angestellten theoretischen Überlegungen
überein.
Für die Praxis sind daher, im Sinne einer Maximierung der Empfindlichkeit, direktive
Antennen mit geringeren Antennenfaktoren zu bevorzugen. Aufgrund der ohnehin
extrem geringen Immissionen wird es zur Abschätzung der Größenordnung der
Feldstärken bzw. Leistungsflussdichten ausreichen ein räumliches Maximum mit der in
[17] beschriebenen Schwenkmethode zu ermitteln und auf eine räumliche Mittelung der
Immissionen zu verzichten. Somit kann auf eine echte isotrope Messung und den damit
verbundenen höheren Messaufwand bei Verwendung direktiver Antennen (theoretisch
12 Einzelmessungen statt nur 3 Einzelmessungen mit bikonischer Antenne) verzichtet
werden.
2.3.2 Messungen an einer Impuls-UWB-Quelle
Spezifikationen des untersuchten Gerätes
Für die Messungen wurde das PulsON P210 Reference Design Kit der Firma Time
Domain, Inc. verwendet. Das aus 2 UWB-Sendeempfängern bestehende Set ermöglicht
unter anderem den Austausch von Daten mit definierbaren Übertragungsraten,
basierend auf einer „echten“ Impuls-UWB Funktechnik. Die Konfiguration der Geräte
erfolgt über die mitgelieferte Software. Die Funkschnittstelle der Geräte ist konform zur
FCC UWB-Regulierung. Die Mittenfrequenz des Sendesignals ist 4,7 GHz, bei einer
Bandbreite von 3,2 GHz (-10 dB Bandbreite). Als mittlere Impulswiederholfrequenz sind
9,6 MHz spezifiziert und als maximale mittlere Sendeleistung wird im Handbuch zum
Gerät -12,8 dBm angegeben (entspricht ca. 52 μW). Abbildung 2.12 zeigt die beiden
Sendeempfänger.
22
Abbildung 2.12: PulsON P210 Reference Design Kit
Untersuchungen zu den emittierten Signalformen
Um das Zeitverhalten der emittierten HF-Signale des Gerätes zu untersuchen wurden
zunächst Messungen kabelgebunden, d.h. direkt am Antennenausgang des als Sender
konfigurierten Gerätes durchgeführt (Abbildung 2.13). Während aller im Folgenden
beschriebenen Messungen wurden kontinuierlich pseudozufällige Datenfolgen
(Datenrate 9.6 MBit/s) gesendet um die mittlere abgestrahlte HF-Leistung konstant auf
dem Maximalniveau zu halten.
UWBFunkverbindung
Antenne
Stromversorgung
Netzwerkkabel
zum Computer
HF-Kabel
HF-Kabel zum
zum
Messgerät
Messgerät
Abbildung 2.13: Messungen am Antennenausgang des PulsON P210 UWB-Sendeempfängers
23
Die Zeitbereichsmessungen wurden mittels eines Digital-Speicheroszilloskops mit 6 GHz
Bandbreite (LeCroy Wave Runner) durchgeführt. Abbildung 2.14 zeigt den Zeitverlauf
des Sendesignals in schrittweise verfeinerter zeitlicher Auflösung. Die Übertragung der
Daten erfolgt durch einzelne ca. 15 ns lange Impulse mit einem mittleren zeitlichen
Abstand von ca. 100 ns. Weiters ist zu erkennen, dass der Impulsübertragung ein Paket
orientiertes Übertragungsprotokoll überlagert ist (Empfangen von Acknowledge-Paketen
in den Sendelücken). Da die Sendeantenne beim Impuls-UWB zumeist bewusst als
letztes impulsformendes Element eingesetzt wird, entspricht die in Abbildung 2.14
dargestellte, direkt am Ausgang (d.h. noch vor der Sendeantenne gemessene)
Impulsform im Allgemeinen nicht jener, die als Immission im Sinne des Zeitverlauf der
elektrischen Feldstärke in der Umgebung des UWB-Senders auftreten wird. Abbildung
2.15 zeigt den tatsächlichen Zeitverlauf der UWB-Immissionen, wie sie in ca. 20 cm
Abstand zur Sendeantenne mittels einer Breitband-Hornantenne und DigitalSpeicheroszilloskop gemessen werden konnten. Das Immissionssignal unterscheidet
sich stark vom Sendesignal.
100 mV/div
100 mV/div
2s
20 ms
.
100 mV/div
100 mV/div
20 μs
2 μs
50 mV/div
100 ns
Abbildung 2.14: Zeitverlauf des Sendesignals am Ausgang (Anschlussport der Sendeantenne) des PulsON P210, gemessen mit
einem Digital Speicheroszilloskop
24
2 mV/div
2 mV/div
100 ns
2 μs
Abbildung 2.15: Zeitverlauf der UWB-Immissionen, gemessen mit Breitband-Hornantenne und Digital Speicheroszilloskop in ca.
20 cm Abstand zur UWB-Sendeantenne
Weiters bestätigen diese Messungen die bereits in Kapitel 2.2 auf Basis theoretischer
Überlegungen
attestierten
Beschränkungen
von
Oszilloskopen
für
UWBImmissionsmessungen in der Praxis. Selbst bei einem Abstand von nur 20 cm sind die
vom UWB-Gerät verursachten Immissionen mit dem Oszilloskop gerade noch erfassbar.
(vgl. Signal-Rauschabstand in Abbildung 2.15, rechts).
Zum Vergleich mit den in Abbildung 2.14 dargestellten Ergebnissen der
Zeitbereichsmessungen mittels Digital-Speicheroszilloskop ist in Abbildung 2.16 das
Ergebnis einer Zero Span Messung mit Spektrumanalysator (Agilent E4405B) dargestellt
(Amplituden nur qualitativ). Gemessen wurde, wie im Fall der Messungen mit dem
Oszilloskop,
direkt
am
Ausgang
(Antennenanschlussbuchse)
des
UWBSendeempfängers. Aufgrund der im Vergleich zum Oszilloskop nach unten stark
begrenzten zeitlichen Auflösung, können hier zwar noch die Zeitverhältnisse bezüglich
der Impulspaketlängen (vgl. Abbildung 2.14 erste Reihe rechts), aber natürlich nicht
mehr Zeitintervalle in der Größenordnung der Einzelimpulslängen dargestellt werden.
Eine korrekte Darstellung der Einzelimpulse wäre aufgrund der im Vergleich zur ImpulsBandbreite viel zu geringen Auflösebandbreite des Spektrumanalysators ohnehin nicht
möglich.
Immissionsmessungen mit dem Spektrumanalysator müssen natürlich auch im Fall von
Impuls-basiertem UWB mit RMS-Detektor durchgeführt werden, um systematische
Überbewertungen, wie z.B., bei Verwendung eines PEAK-Detektors, zu vermeiden.
Abbildung 2.17 zeigt dies wieder anschaulich anhand eines Vergleichs von Messungen
mit PEAK-Detektor im MAXHOLD Modus (blaue Kurve), RMS-Detektor im MAXHOLDModus (rote Kurve) und zeitgemittelten Messungen mit RMS-Detektor (grüne Kurve). Die
Messungen wurden wieder direkt (kabelgebunden) am Antennenanschluss des UWBSendeempfängers während kontinuierlichem Senden von pseudozufälligen Daten
durchgeführt. Aufgrund des großen Verhältnisses von Impulsdauer und
Impulswiederholzeit führen Messungen mit PEAK-Detektor wieder zu großen
Überbewertungen (ca. 10 dB) gegenüber den tatsächlich vorhandenen ImmissionsEffektivwerten. Der Unterschied zwischen MAXHOLD-Messungen und zeitgemittelten
Messungen mit RMS-Detektor ist in diesem speziellen Fall sehr gering. Dies ist aber
natürlich kein Spezifikum des Impuls-UWB, sondern ist darauf zurückzuführen, dass der
25
Sendeempfänger für die Messungen manuell für kontinuierliches Senden konfiguriert
wurde. Da das untersuchte Gerät gewissermaßen „stand alone“ betrieben wird, d.h.,
keinerlei übergeordneter Netzwerkstruktur (und deren Timing) unterliegt, ergeben sich in
diesem Fall auch keine nennenswerten Schwankungen des effektiven Duty Cycles, was
wiederum der Grund für die nahezu Übereinstimmung zwischen RMS-MAXHOLD und
zeitgemittelter RMS-Messung ist.
50 ms
Abbildung 2.16: Zeitverlauf des Sendesignals am Ausgang (Anschlussport der Sendeantenne) des PulsON P210, gemessen mit
dem Spektrumanalysator.
Abbildung 2.17: Messung im Frequenzbereich am HF-Ausgang des PulsON P210 UWB-Sendeempfängers während
kontinuierlichem Senden von pseudozufälligen Daten. Vergleich von Messungen mit PEAK-Detektor im MAXHOLD Modus (blaue
Kurve), RMS-Detektor im MAXHOLD Modus (rote Kurve) und RMS-Detektor mit Mittelungsfunktion (grüne Kurve, Mittelung über 3
Sekunden )
.
26
Optimierung der Messparameter
Zur Ermittlung der optimalen Messparameter für Immissionsmessungen in den HFFeldern von Impuls-UWB Geräten wurden Referenzmessungen gemäß Abbildung 2.18
durchgeführt. Der mit dem Leistungsmesser ermittelte Wert diente dabei als
Referenzwert (thermischer Messkopf liefert zuverlässig den wahren Effektivwert).
Für die Messungen wurde der PulsON P210 UWB-Sendeempfänger wieder auf
kontinuierliches Senden von Daten konfiguriert.
Die Messungen mit Spektrumanalysator wurden grundsätzlich mit RMS-Detektor und
ausreichender Sweep time von 300 ms durchgeführt. Auflösebandbreite (RBW) und
Videobandbreite (VBW) wurden in sinnvollen Grenzen variiert und die damit erhaltenen
Messwerte (Band Power Messungen) mit dem Referenzwert verglichen.
Spektrumanalysator
HF-Ausgang
Antennenanschluss A
bzw.
Digital Speicheroszilloskop
PulsON P210
Transceiver
Leistungsmesser
Thermischer
Leistungsmesskopf
Agilent E4411B
Agilent 8141 A
Abbildung 2.18: Schema der durchgeführten Referenzmessungen mit dem PulsON P210 UWB-Sendeempfänger. Die mittlere
HF-Ausgangsleistung wurde alternativ mit Spektrumanalysator oder thermischem Leistungsmesskopf bestimmt.
Der mit dem Leistungsmesser ermittelte Referenzwert ergab sich zu -14,6 dBm mit einer
Schwankungsbreite von ± 0,1 dBm in einem Beobachtungszeitraum von 10 Sekunden.
Gesamtleistung (Band Power) im Übertragungskanal (3 s Mittelwert, Beobachtungszeitraum 10 s)
Referenzwert -14,6 ± 0,10 dBm
Agilent
RBW
E4405B
100 kHz
300 kHz
1 MHz
3 MHz
300 kHz
-15.03±0,1 dBm
VBW
1 MHz
-14.90±0,1 dBm
-15.12±0,1 dBm
3 MHz
-14.56±0,1 dBm
-14.64±0,1 dBm
-15.73±0,1 dBm
-16,51±0,1 dBm
Tabelle 2.5: Ergebnis der Referenzmessungen mit dem PulsON P210 Sendeempfänger bei unterschiedlichen Kombinationen von
Auflösebandbreiten (RBW) und Videobandbreiten (VBW)
Wie Tabelle 2.5 zeigt, sind auch bei Impuls-UWB-Immissionen mit geeigneten
Einstellungen am Spektrumanalysator grundsätzlich sehr präzise Messungen möglich.
Im Zuge von Immissionsmessungen in der Praxis wir daher der in Zusammenhang mit
dem Spektrumanalysator anzusetzende Beitrag zur Gesamt-Messunsicherheit
gegenüber
den
anderen
Unsicherheitsquellen
(Schwankungen
des
Datenverkehrsaufkommens, Isotropie der Messantenne, usw.) vernachlässigt werden
können.
27
Zusammenfassend können, wie bei MB-OFDM-UWB-Signalen auch für Impuls-UWBSignale die folgenden Spektrumanalysator-Einstellungen für Immissionsmessungen
empfohlen werden:
Messung der mittleren Immissionen:
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time >100 ms (bei 201 Frequenzpunkten)
VBW so hoch wie möglich (üblicherweise 3 MHz)
RBW mindestens Faktor 10 unter VBW
Band Power Messungen über gesamten UWB-Frequenzbereich (lt. Gerätespez.)
• Mittelung der Band Power Messungen über gewünschtes Zeitintervall
Messung der Maximal-Immissionen:
•
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time >100 ms (bei 201 Frequenzpunkten)
VBW so hoch wie möglich (üblicherweise 3 MHz)
RBW mindestens Faktor 10 unter VBW
MAXHOLD
Korrektur des maximal gemessenen Wertes entsprechend dem Verhältnis von
Signalbandbreite (ca. 500 MHz bei WiMedia-Gerät) zu äquivalenter Rauschbandbreite5 des
Spektrumanalysators
Stellt der Spektrumanalysator keine Möglichkeiten für Band Power Messungen zur
Verfügung, ist bei Impuls-UWB-Quellen die Abschätzung der mittleren Immissionen nicht
oder zumeist nur mit großer Unsicherheit möglich, da die Ermittlung der tatsächlichen
Impulsform bzw. Impulsdauer mit Spektrumanalysatoren zumeist nicht oder nur in sehr
grober Näherung möglich sein wird. Demzufolge wird auch die Abschätzung des
effektiven Duty Cycles nicht oder nur mit großer Unsicherheit behaftet möglich sein.
Allein mit Spektrumanalysator ohne Band Power Funktion wird daher oftmals nur die
Ermittlung der Maximal-Immissionen mittels MAXHOLD-Funktion möglich.
Im Zuge der Referenzmessung gemäß Abbildung 2.18 mit dem DigitalSpeicheroszilloskop wurde der Zeitverlauf des Sendeimpulses aufgezeichnet und daraus
die mittlere Leistung berechnet. Für Impulswiederholzeiten zwischen 80 ns und 120 ns
ergaben sich dabei Werte zwischen -14,0 dBm und -15,3 dBm, was sehr gut
(Abweichung < 20%) mit dem Referenzwert von -14,6 dBm übereinstimmt.
Typische Immissionswerte
Nach den oben angeführten systematischen Messungen wurde auch versucht die
Immissionen in der Umgebung des PulsON P210 UWB-Sendeempfängers zu messen.
Für den Zeitraum der Messungen wurde der PulsON P210 UWB-Sendeempfänger
wieder auf kontinuierliches Senden von Daten konfiguriert.
Die äquivalente Rauschbandbreite des Spektrumanalysators wird aus der Auflösebandbreite RBW multipliziert mit einem
Korrekturfaktor für die Form des ZF-Filters (in den Spezifikationen des Spektrumanalysators angegeben) berechnet. Dieser
Korrekturfaktor liegt für üblicherweise eingesetzte ZF-Filter zwischen 1,065 und 1,129.
5
28
Die Messungen erfolgten in 0,5 m und 1 m Distanz zur Quelle und wurden mittels
Spektrumanalysator mit den oben angeführten Messparametern und den bereits in
Kapitel 2.3.1 genannten Antennen durchgeführt. Immissionsmessungen mit DigitalSpeicheroszilloskop wurden aufgrund der zu geringen Empfindlichkeit des Gerätes nicht
durchgeführt (vgl. Kapitel 2.2.2 und Messergebnis in 20 cm Abstand in Abbildung 2.15).
Die Messungen erfolgten wieder quasi-isotrop, d.h., 12 Einzelmessungen mit Log.Per.bzw. Horn-Antenne und 3 Einzelmessungen mit POD-Antenne. Tabelle 2.6 fasst die
resultierenden Messergebnisse zusammen (alle Messwerte bezüglich Auflösebandbreite, Antennenfaktor und Kabelverluste bereits korrigiert).
Distanz: 1m
Mittlere Immission
Max. Immission
(Band Power Messung)
POD-Antenne
Log.Per.Antenne
Horn-Antenne
E
[V/m]
0,0278
0,0311
0,0298
S
[mW/m2]
0,00205
0,00257
0,00235
(RMS-Det., MAXHOLD)
E
[V/m]
0,0301
0,0348
0,0311
S
[mW/m2]
0,00240
0,00321
0,00256
Distanz 0,5 m
Mittlere Immission
Max. Immission
(Band Power Messung)
E
[V/m]
0,0645
0,0736
0,0678
S
[mW/m2]
0,01104
0,01435
0,01219
(RMS-Det., MAXHOLD)
E
[V/m]
0,0714
0,0840
0,0771
S
[mW/m2]
0,01353
0,01871
0,01576
Tabelle 2.6: Ergebnisse der Immissionsmessungen in 0,5 m und 1 m Abstand zum PulsON P210 UWB-Sendeempfänger
Die mit den unterschiedlichen Messantennen erfassten Messwerte zeigen gute
Übereinstimmung.
Aufgrund der ohnehin extrem geringen Immissionen wird es zur Abschätzung der
Größenordnung der Feldstärken bzw. Leistungsflussdichten ausreichen ein räumliches
Maximum mit der in [17] beschriebenen Schwenkmethode zu ermitteln und auf eine
räumliche Mittelung der Immissionen zu verzichten. Somit kann auf eine echte isotrope
Messung und den damit verbundenen höheren Messaufwand bei Verwendung direktiver
Antennen (theoretisch 12 Einzelmessungen statt nur 3 Einzelmessungen mit bikonischer
Antenne) verzichtet werden.
29
3 NUMERISCHE METHODEN FÜR DIE
EXPOSITIONSERFASSUNG IN UWB-FELDERN
Im Gegensatz zu Expositionssituationen in den Feldern von schmalbandigen HFQuellen, stehen bei UWB gegenwärtig nicht einmal vereinfachte messtechnische
Methoden für die SAR-Messung zu Verfügung. Der Hauptgrund dafür sind die
frequenzabhängigen (dispersiven) Gewebeeigenschaften. Einerseits existieren derzeit
noch keine Gewebe simulierenden Flüssigkeiten, welche die dispersiven
Gewebeparameter adäquat nachbilden. Andererseits ist der Kalibrierfaktor von SARMesssonden prinzipiell abhängig von der Frequenz und von der Gewebe simulierenden
Flüssigkeit in der gemessen wird, was eine genaue SAR-Messung auf Basis der
gegenwärtigen SAR-Messtechnik prinzipiell unmöglich macht (siehe Kapitel 2.2.4). Eine
quantitative Analyse der zu erwartenden (frequenz- und bandbreitenabhängigen)
Ungenauigkeit von näherungsweisen UWB-SAR-Messungen mit Gewebe simulierenden
Flüssigkeiten und Sondenkalibrierfaktoren entsprechend der Mittenfrequenz liegt bisher
nicht vor.
Die Bestimmung der gewebespezifischen Absorption bei Exposition in UWB-Feldern
kann daher nur mittels numerischer Berechnungen erfolgen, wobei auch hier, aufgrund
der spezifischen Eigenschaften der UWB-Signale modernste und leistungsfähige
Algorithmen und Hardwareressourcen notwendig sind, um befriedigende Ergebnisse zu
erzielen.
3.1 FDTD-Methode für UWB-Berechnungen
Für numerische Berechnungen bei Exposition in UWB-Feldern, bieten sich Zeitbereichsmethoden wie die FDTD-Methode schon allein aufgrund der Notwendigkeit der Anregung
mit kurzen, speziell geformten Impulsen als die Methode der ersten Wahl an. Bisher
veröffentlichte Arbeiten zu diesem Thema ([18]-[25]) basieren ausschließlich auf FDTDBerechnungen.
Abgesehen von der Möglichkeit der Anregung mit beliebiger Signalform im Zeitbereich
hat die stetige Weiterentwicklung der FDTD-Methode in den letzten Jahren dazu geführt,
dass seit einigen Jahren auch effiziente Methoden verfügbar sind, um die dispersiven
Gewebeeigenschaften im FDTD-Algorithmus zu berücksichtigen.
3.1.1 Implementierung dispersiver Gewebeparameter in FDTD
Die Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften von Materialien wird heute in
der Literatur durch unterschiedliche Dispersionsmodelle beschrieben. Die bekanntesten
davon sind die Modelle nach Debye, Cole Cole, Lorentz und Drude, die die
Frequenzabhängigkeit der komplexen Permittivität ε(ω) nach folgenden Gleichungen
beschreiben (jeweils allgemeine Formulierung für ein n-poliges Modell):
(ε s − ε ∞ ) ⋅ An
1 + jωτ n
n =1
P
Debye:
ε (ω ) = ε ∞ + ∑
(ε s − ε ∞ ) ⋅ An
1−α n
n =1 1 + ( jωτ n )
P
Cole Cole:
ε (ω ) = ε ∞ + ∑
30
(3.1)
(3.2)
(ε s − ε ∞ ) ⋅ An ⋅ ω 2
2
2
n =1 ω n + 2 jωτ n − ω
P
Lorentz:
ε (ω ) = ε ∞ + ∑
ωn 2
ε (ω ) = ε ∞ − ∑ 2
n =1 ω − jωτ n
P
Drude:
(3.3)
(3.4)
Die Größen An, τn und ωn stehen in Gleichungen (3.1) bis (3.4) für die Polamplitude, die
Relaxationszeitkonstante und die Kreisfrequenz des n-ten Pols. εs und ε∞ sind die
statische Permittivität (bei Frequenz=0 Hz) und der Grenzwert der Permittivität bei
unendlich hohen Frequenzen.
Speziell für die Beschreibung biologischer Medien haben sich fast ausschließlich das
Debye-Modell und das Cole Cole-Modell durchgesetzt, da mit ihnen die Nachbildung der
Frequenzabhängigkeit biologischer Materialen sehr genau erfolgen kann. Das Cole ColeModell ist dabei dem Debye-Modell hinsichtlich der Nachbildung der (im
Frequenzbereich) sehr breiten Dispersionsbereiche der meisten biologischen Gewebe
etwas überlegen, so dass beispielsweise Gabriel et al. 1996 [7] ein 4-poliges Cole ColeModell für die Beschreibung der Gewebeparameter verwendeten.
Für die Implementierung der Dispersion in den FDTD-Algorithmus sind seit Anfang der
1990er Jahre unterschiedliche Methoden vorgeschlagen worden. Die bekanntesten unter
ihnen sind unter den Namen Recursive Convolution (RC) [26], bzw. in verbesserter Form
Linear Piecewise Recursive Convolution (PLRC) [27], Auxiliary Differential Equation
(ADE) [28]-[30] und Z-transformation [31] in der Literatur beschrieben. Wirklich
durchgesetzt haben sich jedoch in den letzten Jahren nur PLRC und ADE, da sich diese
Methoden effizient (im Hinblick auf Rechenzeit und Speicherbedarf) in den FDTDAlgorithmus eingliedern lassen. Moderne, kommerziell erhältliche Simulationsplattformen
greifen zumeist auf ADE zurück, weil sich diese Methode sehr vorteilhaft auch für die
Behandlung nichtlinearer Materialeigenschaften verwenden lässt [32].
Die RC-Methode geht vom Zusammenhang zwischen elektrischer Flussdichte und
elektrischer Feldstärke im Zeitbereich unter Verwendung der elektrischen Suszeptibilität
(χ = εr-1) aus [32]:
r
r
D(t ) = ε 0 ε ∞ E (t ) + ε 0
r
E
∫ (t − τ ) χ (τ )dt
t
(3.5)
τ =0
Anschaulich gesprochen beschreibt dies den Sachverhalt, dass sich die einstellende
resultierende elektrische Flussdichte aus einem unverzögerten (der elektrischen
Feldstärke unendlich schnell folgenden) Anteil (erster Summand der rechten Seite in Gl.
3.5) und einem sich erst etwas, durch die spezifischen Materialeigenschaften verzögert
einstellenden (phasenverschobenen) Anteil zusammensetzt (zweiter Summand der
rechten Seite der Gl. 3.5). In rein mathematischer Sichtweise ergibt sich Gleichung 3.5
beim Überführen der bekannten Beziehung
r
r
r
r
r
D (ω ) = ε 0ε r E (ω ) = ε 0 (1 + χ (ω )) E (ω ) = ε 0 E (ω ) + ε 0 χ (ω ) E (ω )
(3.6)
aus dem Frequenzbereich in den Zeitbereich, wobei die Eigenschaft der inversen
Fourier-Transformation, dass der Multiplikation im Frequenzbereich die Faltung im
Zeitbereich entspricht, berücksichtigt wird. Die Zeitbereichsdarstellung der elektrischen
31
Suszeptibilität
wird
dabei
ebenfalls
aus
der
Frequenzbereichsdarstellung, ähnlich Gl. 3.1 – 3.4) gewonnen.
(etwas
geläufigeren
Das Faltungsintegral in Gleichung 3.5 lässt sich schließlich effizient in den FDTDAlgorithmus integrieren.
Bei der ADE Methode wird vom Ampere’schen Satz im Zeitbereich ausgegangen:
P r
r
r
d r
∇ × H (t ) = σE (t ) + ε 0 ε ∞ E (t ) + ∑ J p (t )
dt
p =1
(3.7)
D.h., die resultierende Stromdichte setzt sich aus einem reinen Leitungsstromanteil
(erster Summand in Gl. 3.7), einem sich unverzögert einstellenden Verschiebungsstromanteil (zweiter Summand in Gl. 3.7), und einem sich entsprechend den
spezifischen Materialeigenschaften erst verzögert einstellenden (phasenverschobenen)
Verschiebungsstromanteil (dritter Summand in Gl. 3.7) zusammen. Dieser
letztgenannten Stromdichteanteil (Polarisierungsstromdichte) setzt sich bei mehrpoligen
Dispersionsmodellen aus mehreren Einzelanteilen (Summenzeichen in Gl. 3.7)
zusammen.
Die
weitere
Analyse
führt
für
jeden
Summanden
dieser
Polarisierungsstromdichte auf eine zusätzliche Differentialgleichung (daher der Name
ADE) der Form
r
d r
d r
J p (t ) + τ p J p (t ) = ε 0 A p E (t )
(3.8)
dt
dt
die leicht in den FDTD-Algorithmus implementiert werden kann (τp und Ap bezeichnen
die Relaxationszeitkonstante und die Polamplitude des jeweiligen Dispersions-Poles, vgl.
Gl. 3.1-3.4)
Eine detaillierte Beschreibung bzw. Ableitung des RC- und ADE-Verfahrens und die
numerische Vorgehensweise bei der Implementierung in FDTD sind in [32] ausführlich
beschrieben.
Erwähnenswert bleibt schließlich, dass sich das Dispersionsmodell nach Cole Cole
numerisch im Hinblick auf die Rechenzeit und den Speicherbedarf nicht sehr effizient
implementieren lässt, was dazu führt, dass in der Praxis für FDTD-Berechnungen heute
hauptsächlich das Debye-Modell (vor allem für biologische Gewebe), teilweise auch das
Lorentz- und Drude-Modell, jedoch nie das Cole Cole-Modell verwendet wird. Dies spielt
jedoch üblicherweise nur eine untergeordnete Rolle, da biologische Gewebe in
eingeschränkten Frequenzbereichen, im Rahmen vertretbarer Unsicherheitsgrenzen
auch hineichend gut durch das Debye-Modell beschrieben werden können.
3.2 UWB-Absorption in biologischen Geweben
Um die grundlegenden Charakteristika der Absorption von UWB-Strahlung zu
untersuchen, wurden FDTD-Berechnungen mit einfachen planaren Gewebemodellen bei
Befeldung mit einer ebenen Welle durchgeführt. Es wurde ein homogenes Modell
(entsprechend Muskelgewebe) und ein geschichtetes Modell, bestehend aus Haut, Fett,
Muskel, Knochen und „innerem Gewebe“ (entsprechend Niere) betrachtet. Um die
Relevanz der dispersiven Gewebemodellierung zu verdeutlichen, wurde in beiden Fällen
jeweils einmal mit entsprechend frequenzabhängigen Gewebeparametern und einmal
32
mit den (frequenzunabhängigen) Gewebeparametern der Mittenfrequenz gerechnet.
Weiters wurde für beide Fälle ein Vergleich der UWB-Absorptionsverhältnisse mit der
Leistungsabsorption bei harmonischer (sinusförmiger) Exposition (CW) angestellt.
Als UWB-Anregung wurde ein Gauß-förmiger Feldstärke-Impuls mit Amplitude 2,76 V/m
und einer Mittefrequenz von 6,85 GHz
2
⎛ t − 0 , 5 ns ⎞
− ⎜⎜
⎟⎟
r
E (t ) = 2,76 * e ⎝ 0,1213ns ⎠ * cos(2π * 6.85GHz * (t − 0,5ns ))
(3.9)
in Form einer ebenen Welle verwendet. Dieses Signal ist in Abbildung 3.1 im Zeitbereich
und in Abbildung 3.2 im Frequenzbereich in Form der spektralen Dichte der
Leistungsflussdichte S dargestellt. Die (-10 dB) Bandbreite des Signals beträgt ca.
5,6 GHz und die Amplitude ist so gewählt, dass sie, bei der gegebenen Signalform der
maximalen Immission im Abstand von 25 cm zu einem FCC-konformen Gerät entspricht
(spektrale Effizienz ca. 46%, d.h., Gesamtsendeleistung ca. 0,26 mW).
elektrische Feldstärke [V/m]
3.0
2.0
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0
0
0.5
1
Zeit [ns]
1.5
2
Abbildung 3.1: Zeitverlauf des für die folgenden FDTD-Berechnungen verwendeten UWB-Signals
-45
2
[dB(mW/m )/MHz]
spektr. Dichte der Leistungsflussdichte
-35
-55
-65
-75
2
4
6
8
10
12
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.2: Spektrale Dichte der Leistungsflussdiche S in dB(mW/m2)/MHz des Signals in Abbildung 3.1. Rot eingezeichnet ist
die entsprechende (auf Leistungsflussdichte in 0,25 m Abstand umgerechnete) Spektralmaske der FCC Regulierung.
33
3.2.1 Modell eines homogenen Gewebeblocks
Für die Untersuchung der Absorptionsverhältnisse in einem homogenen Medium, wurde
ein homogener Block entsprechend Muskelgewebe als Modell betrachtet (Abbildung
3.3). Die Abmessungen des Blocks wurden entsprechend groß gewählt, so dass er für
die im Folgenden angestellten Überlegungen als gutes Modell eines homogenen
unendlich großen Halbraumes aufgefasst werden kann.
E
z
k
y
x
Muskel
Abbildung 3.3: Schematische Darstellung des homogenen ebenen Modells
Die frequenzabhängigen Eigenschaften des Muskelgewebes wurden mittels eines 3poligen Debye-Modells, mit den in Tabelle 3.1 zusammengefassten Parametern
beschrieben (vgl. Gleichung 3-1).
Muskel
εs
ε∞
σ0
A1
τ1
A2
τ2
A3
τ3
[1]
[1]
[S/m]
[1]
[s]
[1]
[s]
[1]
[s]
0,0005
7,23*10-12
0,07
3,54*10-7
12
0,0003181
95000
4,0
0,90
Tabelle 3.1: Debye-Parameter für das untersuchte homogene Muskel-Modell in Abbildung 3.3
Abbildung 3.4 und Abbildung 3.5 zeigen einen Vergleich des verwendeten DebyeModells (durchgezogene Linien) mit dem von Gabriel 1996 [7] verwendeten Cole Cole
Modell (einzelne Symbole). Im interessierenden Frequenzbereich zeigt sich hinreichend
gute Übereinstimmung (Abweichungen < 3%).
FDTD-Berechnungen wurden mit der Simulationsplattform SEMCAD X (Version 13.2) für
eine seitlich einfallende ebene Welle gemäß Abbildung 3.3 durchgeführt. Für die
Diskretisierung des Feldraumes wurde ein FDTD-Gitter mit variabler Schrittweite
verwendet, wobei im Gewebeblock die maximale Schrittweite mit 0,4 mm (d.h. auf < 10%
der minimalen, noch relevanten Wellenlänge) begrenzt wurde. Die Berechnung der
resultierenden SA bzw. SAR aus den Zeitbereichs-Ergebnisdaten erfolgte in MATLAB,
da gegenwärtig kommerziell verfügbare FDTD-Simulationsplattformen diesbezüglich
(noch) keine Möglichkeiten bieten.
34
54
rel. Permittivität εr [1]
52
50
48
Muskel
46
44
42
40
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.4: Verwendetes Debye-Dispersionsmodell (relative Permittivitär εr) für Muskelgewebe im Vergleich zum Cole Cole
Modell nach Gabriel 1996 [7]
16
14
spez. Leitfähigkeit σ [S/m]
Muskel
12
10
8
6
4
2
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.5: Verwendetes Debye-Dispersionsmodell (Leitfähigkeit σ) für Muskelgewebe im Vergleich zum Cole Cole Modell
nach Gabriel 1996 [7]
Abbildung 3.6 zeigt zunächst spektrale Dichtefunktionen der spezifischen Absorption SA
an fünf unterschiedlichen Punkten entlang einer Geraden normal zur Modelloberfläche.
Das linke Teilbild zeigt die Ergebnisse bei korrekter Berücksichtigung der dispersiven
Gewebeparameter in der Berechnung, das rechte Teilbild die Ergebnisse bei
Vernachlässigung der dispersiven Gewebeeigenschaften (frequenzunabhängige
Gewebeeigenschaften bei der Mittenfrequenz). Der Abstand der betrachteten Punkte zur
Modelloberfläche beträgt 1 mm (blaue Kurven), 3 mm (grüne Kurven), 5 mm (orange
Kurven), 10 mm (violette Kurven) und 20 mm (rosa Kurven). Der Vergleich der beiden
Teilbilder in Abbildung 3.6 macht deutlich, dass der korrekten Berücksichtigung der
dispersiven Gewebeeigenschaften in dosimetrischen Berechnungen bei UWB-Befeldung
große Bedeutung zukommt. Erst durch sie werden die physikalischen Tatsachen der
hauptsächlich oberflächennahen Absorption der höheren Frequenzanteile und das
tiefere Eindringen niederfrequenter Spektralanteile ins Gewebe im ganzen Ausmaß
korrekt erfasst.
35
-220
spektrale Dichte der spez. Absorption SA
[dB(mJ/g)/Hz]
spektrale Dichte der spez. Absorption SA
[dB(mJ/g)/Hz]
-220
-230
d=1mm
-240
d=3mm
-250
d=5mm
-260
d=10mm
Berücksichtigung
der dispersiven
Gewebeeigenschaften
-270
d=20mm
-280
-230
d=1mm
d=3mm
-240
d=5mm
d=10mm
-250
-260
d=20mm
Vernachlässigung
der dispersiven
Gewebeeigenschaften
-270
-280
3
4
5
6
7
8
9
10
11
3
4
Frequenz [GHz]
5
6
7
8
9
10
11
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.6: Ortsabhängigkeit der spektralen Zusammensetzung der spezifischen Absorption im homogenen Gewebemodell.
Gegenüberstellung der Berechnungsergebnisse bei Berücksichtigung (links) und bei Vernachlässigung (rechts) der dispersiven
Gewebeparameter. Dargestellt sind jeweils die spektralen Dichtefunktionen der spezifischen Absorption SA in dB(mJ/g)/Hz für
unterschiedlich tief im Gewebe liegende Punkte (d ... Distanz zur Gewebeoberfläche).
Weiters wird durch Abbildung 3.7 deutlich, dass es bei Vernachlässigung der dispersiven
Gewebeeigenschaften vor allem in tieferen Gewebeschichten zu einer Unterschätzung
der Absorption bei UWB-Befeldung kommt.
Im Hinblick auf den Absolutwert der spezifischen Absorption, bei der hier betrachteten
Expositionssituation in 0,25 m Entfernung zu einem FCC konformen UWB-Gerät mit
etwa mittlerer spektraler Effizienz (ca. 46% der maximal nach FCC theoretisch
möglichen Sendeleistung, d.h. ca. 0,26 mW) zeigt sich, wie gering die in der Praxis von
UWB-Geräten zu erwartende Exposition ist. Die maximale spezifische Absorption SA an
der Oberfläche liegt gemäß Abbildung 3.7 bei ca. 1,43*10-13 mJ/g. Die zugehörigen max.
1g- bzw. 10g- Mittelwerte ergeben sich zu 4,51*10-14 mJ/g bzw. 2,30*10 -14 mJ/g.
resultierende spezifische Absorption SA [mJ/g]
1.E-12
dispersive Gewebeeigenschaften
nicht-dispersive Gewebeeigenschaften
1.E-13
1.E-14
1.E-15
1.E-16
1.E-17
0
5
10
15
20
25
Tiefe im Gewebe [mm]
Abbildung 3.7: Resultierende spezifische Absorption SA (Integral über die spektrale Dichte) in Abhängigkeit von der Tiefe im
Gewebe (entlang der x-Achse gemäß Abbildung 3.3)
36
Unter der Annahme kontinuierlichen Sendens des betrachteten hypothetischen UWBGerätes mit einer mittleren Impulswiederholzeit von z.B. 10 ns, entsprechen die
genannten SA-Werte SAR-Werten von 1,43*10-5 mW/g (Maximalwert an der Oberfläche),
4,51*10-6 mW/g (max. 1g Mittelwert) und 2,30*10-6 mW/g (max. 10g Mittelwert).
Zu Vergleichszwecken stellt Abbildung 3.8 die normierten SAR-Verläufe für UWBAnregung mit Berücksichtigung der dispersiven Gewebeeigenschaften (durchgezogene
dunkelblaue Kurve), für UWB-Anregung bei Vernachlässigung der dispersiven
Gewebeeigenschaften (strichlierte dunkelblaue Kurve), sowie für eine schmalbandige,
sinusförmige Anregung bei der Mittenfrequenz dar.
Berechnet man die maximalen 1g- und 10g- Mittelwerte der SAR für eine zur oben
getroffenen Annahme (10 ns Impulswiederholzeit) leistungsäquivalenten sinusförmigen
Exposition, so ergeben sich 4,45*10-6 mW/g und 2,21*10-6 mW/g. D.h., die Annäherung
der UWB-Befeldungssituation durch eine leistungsäquivalente schmalbandige Befeldung
führt zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Exposition. Dies gilt besonders für tiefer
liegende Gewebeschichten, wie aus Abbildung 3.8 unschwer zu erkennen ist.
normierter SAR-Verlauf [1]
1.0000
0.1000
0.0100
Gauss-Impuls, dispersive Gewebeeigenschaften
0.0010
Gauß-Impuls, nicht-dispersive Gewebeeigenschaften
harmonische Anregung bei Mittenfrequenz (6,85 GHz)
0.0001
0
5
10
15
20
25
Tiefe im Gewebe [mm]
Abbildung 3.8: Normierter Vergleich der SAR-Verläufe entlang der x-Achse (vgl. Abbildung 3.3) für UWB-Anregung und
schmalbandiger Anregung bei der Mittenfrequenz
3.2.2 Modell eines geschichteten Halbraumes
In Erweiterung des im vorangegangenen Abschnitt untersuchten homogenen
Gewebemodells werden im Folgenden die Verhältnisse für ein geschichtetes flaches
Modell, bestehend aus Haut (0,5 mm), Fett (3,0 mm), Muskel (9,0 mm), Knochen
(4,5 mm) und „inneres Gewebe“ (entsprechend Niere) betrachtet. Die Schichtdicke des
„inneren Gewebes“ wurde ausreichend groß gewählt, so dass Reflexionen von der
quellenfernen Begrenzung des Gewebemodells vernachlässigt werden können.
Die frequenzabhängigen Eigenschaften des Muskelgewebes wurden mittels eines 3poligen Debye-Modells, mit den in Tabelle 3.2 zusammengefassten Parametern
beschrieben (vgl. Gleichung 3-1).
37
Haut
E
z
k
y
Fett
Muskel
3,0
9,0 mm
Knochen „inneres
Gewebe“
x
0,5
4,5 mm
„∞“
Abbildung 3.9: Schematische Darstellung des ebenen Schichtenmodells
εs
ε∞
σ0
A1
τ1
A2
τ2
A3
τ3
[1]
[1]
[S/m]
[1]
[s]
[1]
[s]
[1]
[s]
Haut
107000
4,0
0,75
0,00035
7,96*10-12
0,0028
1,59*10-8
30
0,000159
Fett
92000
3,6
0,00
0,00007
7,96*10-12
0,0010
1,59*10-8
33
0,000159
0,070
3,54*10-7
12
0,0003181
Muskel
95000
4,0
0,90
0,00050
7,23*10-12
Knochen
122000
2,5
0,03
0,00007
1,33*10-11
0,0018
7,96*10-8
0,05
0,000159
Niere
98000
4,0
0,05
0,00047
7,96*10-12
0,035
1,59*10-8
2,5
0,000159
Tabelle 3.2: Debye-Parameter für das untersuchte eben Schichtenmodell in Abbildung 3.9
Abbildung 3.10 und Abbildung 3.11 zeigen Vergleiche der verwendeten Debye-Modelle
für die betrachteten Gewebetypen (durchgezogene Linien) mit den von Gabriel 1996 [7]
verwendeten Cole Cole Modellen (einzelne Symbole). Im interessierenden
Frequenzbereich zeigt sich hinreichend gute Übereinstimmung (Abweichungen < 8%).
Wie im Fall des homogenen Gewebeblocks wurden auch mit dem Schichtmodell FDTDBerechnungen für eine seitlich einfallende ebene Welle gemäß Abbildung 3.9
durchgeführt. Die Diskretisierung des Feldraumes erfolgte wieder mit einem FDTD-Gitter
variabler Schrittweite, wobei die maximale Schrittweite im Gewebeblock mit 0,4 mm (auf
< 10% der minimalen, noch relevanten Wellenlängen) begrenzt wurde. Die Berechnung
der resultierenden SA bzw. SAR aus den Zeitbereichs-Ergebnisdaten erfolgte wieder in
MATLAB.
38
60
rel. Permittivität εr [1]
50
40
Haut
30
Fett
Muskel
Knochen
20
Niere
10
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.10: Verwendete Debye-Dispersionsmodelle (relative Permittivitär εr) für die 5 betrachteten Gewebetypen im
Vergleich zu den Cole Cole Modellen nach Gabriel 1996 [7]
16
Haut
14
spez. Leitfähigkeit σ [S/m]
Fett
Muskel
12
Knochen
Niere
10
8
6
4
2
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.11: Verwendete Debye-Dispersionsmodelle (spezifische Leitfähigkeit σ) für die 5 betrachteten Gewebetypen im
Vergleich zu den Cole Cole Modellen nach Gabriel 1996 [7]
Abbildung 3.12 zeigt zunächst spektrale Dichtefunktionen der spezifischen Absorption
SA in den 5 unterschiedlichen Gewebeschichten entlang einer Geraden normal zur
Modelloberfläche. Das linke Teilbild zeigt die Ergebnisse bei korrekter Berücksichtigung
der dispersiven Gewebeparameter in der Berechnung, das rechte Teilbild die Ergebnisse
bei Vernachlässigung der dispersiven Gewebeeigenschaften (frequenzunabhängige
Gewebeeigenschaften bei der Mittenfrequenz). Der Abstand der betrachteten Punkte zur
Modelloberfläche beträgt 0,25 mm (Haut, blaue Kurven), 2,0 mm (Fett, grüne Kurven),
8,0 mm (Muskel, orange Kurven), 14,25 mm (Knochen, violette Kurven) und 20 mm
(„inneres Gewebe“, rosa Kurven). Der Vergleich der beiden Teilbilder in Abbildung 3.12
macht, wie schon im Fall des homogenen Gewebemodells deutlich, dass der korrekten
Berücksichtigung
der
dispersiven
Gewebeeigenschaften
in
dosimetrischen
Berechnungen bei UWB-Befeldung essentielle Bedeutung zukommt. Erst dadurch
39
werden die physikalischen Tatsachen der hauptsächlich oberflächennahen Absorption
der höheren Frequenzanteile und das tiefere Eindringen niederfrequenter Spektralanteile
ins Gewebe korrekt in ihrem gesamten Ausmaß erfasst.
-210
spektrale Dichte der spez. Absorption SA
[dB(mJ/g)/Hz]
spektrale Dichte der spez. Absorption SA
[dB(mJ/g)/Hz]
-210
-220
-230
-240
-250
-260
-220
-230
-240
-250
-260
-270
-270
3
4
5
6
7
8
9
10
3
11
4
5
6
7
8
9
10
11
Frequenz [GHz]
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.12: Ortsabhängigkeit der spektralen Zusammensetzung der spezifischen Absorption im geschichteten
Gewebemodell. Gegenüberstellung der Berechnungsergebnisse bei Berücksichtigung (links) und bei Vernachlässigung (rechts)
der dispersiven Gewebeparameter. Dargestellt sind jeweils die spektralen Dichtefunktionen der spezifischen Absorption SA in
dB(mJ/g)/Hz für unterschiedlich tief im Gewebe liegende Punkte (d ... Distanz zur Gewebeoberfläche).
Die in Abbildung 3.12 zutage tretende „Deformierung“ der ursprünglich (seitens des
Anregungssignals) Gauß-förmigen Kurven der spektralen Dichtefunktionen ist eine Folge
von Signalreflexionen an den Grenzen der einzelnen Gewebeschichten. Die in den
einzelnen Punkten im Gewebe auftretende elektrische Feldstärke folgt dadurch keinem
Gauß-förmigen Zeitverlauf mehr, sondern ist eine Überlagerung des einfallenden und ein
oder mehreren reflektierten Signalanteilen, was naturgemäß gleichzeitig zu den
beobachtbaren Verschiebungen in der spektralen Zusammensetzung („Deformationen“
des Signals) führt.
Die erwartungsgemäße Tatsache, dass die Absorptionsverhältnisse im geschichteten
Modell wesentlich komplexer sind als im Fall des homogenen Modells zeigt Abbildung
3.13. Auch in diesem Fall wird deutlich, dass es bei Vernachlässigung der dispersiven
Gewebeeigenschaften vor allem in tieferen Gewebeschichten zu einer Unterschätzung
der Absorption bei UWB-Befeldung kommt.
Für die Absolutwerte der spezifischen Absorption, bei der hier betrachteten
Expositionssituation in 0,25 m Entfernung zu einem FCC konformen UWB-Gerät mit
etwa mittlerer spektraler Effizient (ca. 46% der maximal nach FCC theoretisch möglichen
Sendeleistung, d.h. ca. 0,26 mW), ergeben sich 4,82*10-13 mJ/g (max. SA-Wert an der
Hautoberfläche) und 7,48*10-14 mJ/g
bzw. 3,89*10-14 mJ/g für die zugehörigen
maximalen 1g- bzw. 10g- SA-Mittelwerte.
Unter der Annahme kontinuierlichen Sendens des betrachteten hypothetischen UWBGerätes mit einer mittleren Impulswiederholzeit von z.B. 10 ns, entsprechen die
genannten SA-Werte SAR-Werten von 4,82*10-5 mW/g (Maximalwert an der Oberfläche),
7,48*10-6 mW/g (max. 1g Mittelwert) und 3,89*10-6 mW/g (max. 10g Mittelwert).
40
resultierende spezifische Absorption SA [mJ/g]
1.E-12
dispersive Gewebeeigenschaften
nicht-dispersive Gewebeeigenschaften
1.E-13
1.E-14
1.E-15
1.E-16
Fett
Muskel
Knochen
Niere
1.E-17
0
5
10
Haut
15
20
25
Tiefe im Gewebe [mm]
Abbildung 3.13: Resultierende spezifische Absorption SA (Integral über die spektrale Dichte) in Abhängigkeit von der Tiefe im
Schichtenmodell (entlang der x-Achse gemäß Abbildung 3.9)
Zu Vergleichszwecken stellt Abbildung 3.14 die normierten SAR-Verläufe im
Schichtenmodell für UWB-Anregung mit Berücksichtigung der dispersiven
Gewebeeigenschaften (durchgezogene dunkelblaue Kurve), für UWB-Anregung bei
Vernachlässigung der dispersiven Gewebeeigenschaften (strichlierte dunkelblaue
Kurve), sowie für eine schmalbandige, sinusförmige Anregung bei der Mittenfrequenz
dar. Berechnet man die maximalen 1g- und 10g- Mittelwerte der SAR für eine zur oben
getroffenen Annahme (10 ns Impulswiederholzeit) leistungsäquivalenten sinusförmigen
Exposition, so ergeben sich 7,03*10-6 mW/g und 3,46*10-6 mW/g. D.h., die Annäherung
der UWB-Befeldungssituation durch eine leistungsäquivalente schmalbandige Befeldung
führt wieder zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Exposition. Wie in Abbildung 3.14
zu erkennen, gilt dies wieder besonders für tiefer liegende Gewebeschichten.
1.0000
Gauss-Impuls, dispersive Gewebeeigenschaften
Gauß-Impuls, nicht-dispersive Gewebeeigenschaften
normierter SAR-Verlauf [1]
harmonische Anregung bei Mittelfrequenz (6,85 GHz)
0.1000
0.0100
0.0010
Fett
Muskel
Knochen
Niere
0.0001
0
Haut
5
10
15
20
25
Tiefe im Gewebe [mm]
Abbildung 3.14: Normierter Vergleich der SAR-Verläufe entlang der x-Achse (vgl. Abbildung 3.9) für UWB-Anregung und
schmalbandiger Anregung bei der Mittenfrequenz im Fall des Schichtenmodells
41
3.3 SAR, SA oder E als Bewertungsgröße der Exposition
Im Zusammenhang mit der Exposition gegenüber UWB-Feldern wird häufig die Frage
diskutiert, welche physikalische Größe für die Beurteilung der Exposition am
„zweckmäßigsten“ ist. Diese Frage ist jedoch nicht pauschal, sondern nur differenziert zu
beantworten.
Unter „Zweckmäßigkeit“ der Beurteilungsgröße ist wohl zu verstehen, dass auf Basis der
Beurteilungsgröße Aussagen über die biologisch wirksamen Vorgänge im Gewebe
gemacht werden können. D.h., der Frage nach der zweckmäßigsten Beurteilungsgröße
muss zunächst die Frage nach den biologisch relevanten Wirkungsmechanismen
vorangestellt werden. Diese Frage wiederum ist auf dem Gebiet hochfrequenter
elektromagnetischer Felder seit vielen Jahren einer der zentralen Punkte der
wissenschaftlichen Diskussion, um nicht zu sagen sie ist der Stein des Anstoßes für eine
Spaltung der Wissenschaft in zwei Lager. Als unumstritten gesicherte biologisch
relevante Wirkungsmechanismen gelten im Hochfrequenzbereich bekanntlich die
thermische
Wirkung
(Gewebserwärmung)
und
die
auf
thermoelastische
Expansionseffekte zurückzuführende akustische Wahrnehmbarkeit von kurzen
energiereichen Hochfrequenzimpulsen. Für andere Effekte, üblicherweise unter Begriffen
wie „nicht-thermische Effekte“ oder „Niedrigdosiseffekte“ subsumiert6 gibt es in der
Literatur vereinzelt Hinweise, eine wissenschaftliche Absicherung bzw. anerkannte
Wechselwirkungsmodelle stehen gegenwärtig jedoch noch aus.
Aus rein physikalischer Sicht ist eine Betrachtung der elektrischen Feldstärke E als
Beurteilungsgröße bei UWB-Exposition nur dann notwendig, wenn man von der Existenz
von Effekten ausgeht, bei denen direkte elektrische Wechselwirkungen zwischen dem
elektrischen Feld und den biologisch relevanten Strukturen (Zellen, Zellmembranen,
Makromoleküle, usw.) eine signifikante Rolle spielen. Solche Effekte sind eindeutig den
oben
letztgenannten
„nicht-thermischen Effekten“
bzw.
„Niedrigdosiseffekten“
zuzuordnen und daher gegenwärtig, zumindest was ein möglicherweise zugrunde
liegendes Wechselwirkungsmodell betrifft, Gegenstand von Spekulationen. Eine
wissenschaftlich begründete Notwendigkeit die elektrische Feldstärke als
Beurteilungsgröße bei UWB-Exposition heranzuziehen ist daher zum gegenwärtigen
Zeitpunkt nicht unmittelbar gegeben. Dies gilt übrigens nicht nur speziell für UWBExposition, sondern ganz allgemein für die Exposition in hochfrequenten
elektromagnetischen Feldern.
Bilden die gegenwärtig wissenschaftlich gesicherten Effekte den Ausgangspunkt der
Überlegungen, so spielen nur der Leistungs- bzw. Energieeintrag ins Gewebe eine Rolle,
und die Detailinformation (Zeitverlauf, Richtung, Phasenlage) der elektrischen Feldstärke
im Gewebe ist daher aus physikalischer Sicht ohne Bedeutung. Für die Exposition in
„konventionellen“ (schmalbandigen) hochfrequenten elektromagnetischen Feldern wurde
bekanntlich, z.B. in [33], die SAR als die adäquate Beurteilungsgröße festgelegt, um eine
biologisch bedenkliche Gewebeerwärmung durch die Exposition zu vermeiden. Formal
Die Begriffsbildungen „nicht-thermische Effekte“ und „Niedrigdosiseffekte“ sind relativ unscharf. Beispielsweise sollte „nicht thermisch“ in diesem Zusammenhang nicht den Eindruck vermitteln, dass die damit beschriebenen möglichen Effekte nicht doch
unter signifikanter Beteiligung thermischer bzw. thermodynamischer Vorgänge im Gewebe ausgelöst werden. Vielmehr sind
darunter mögliche Effekte zu verstehen, die nicht auf Vorgänge im Gewebe zurückzuführen sind, wie sie bei
Gewebeerwärmungen im Ausmaß von ca. 1°C bekannt sind. Eine andere, relativ pragmatische und auch weit verbreitete
Auffassung der Begriffe „nicht-thermische Effekte“ bzw. „Niedrigdosiseffekte“ ist jene, alle Effekte die bei Expositionen unterhalb
der Expositionsgrenzwerte nach ICNIRP 1998 [33] auftreten zu verstehen, da diese Grenzwerte auf Basis der gesicherten
thermischen Wirkungsmechanismen abgeleitet wurden.
6
42
ist die SAR als die Zeitrate des Eintrages elektromagnetischer Energie ins Gewebe pro
Masseneinheit definiert:
SAR =
dW
dt ⋅ m
(3.10)
Für kontinuierliche Exposition, z.B. in Form einer zeitlich sinusförmigen Befeldung ergibt
sich im eingeschwungenen Zustand daher ein konstanter SAR-Wert, der als adäquater
Beurteilungswert für die thermische Belastung des Gewebes und damit für die Exposition
herangezogen werden kann.
Im Fall von gepulsten elektromagnetischen Feldern mit sehr kurzen Impulsdauern
(Impuls-UWB) wird die SAR-basierte Grenzwertfestlegung teilweise als nicht adäquat
angesehen. Beispielsweise wird in einem kürzlich publizierten Artikel [22] behauptet:
„When the standards defined for continuous radiofrequency waves are applied to the
short UWB pulses, their meaning loses its clarity“. Zur Untermauerung seiner Aussage,
dass die SAR in diesem Fall kein adäquates Maß für die thermische Gewebebelastung
ist, bringt der Autor von [22] ein Beispiel eines ca. 100 ps langen Impulses mit einer
Amplitude von 2500 V/m, der in einem Gewebemodell eine SAR von 4 W/kg verursacht,
während die spezifische Absorption SA nur 4*10-10 J/kg beträgt und dadurch auch die
thermische Belastung des Gewebes praktisch vernachlässigbar ist. Diese Aussage muss
allerdings relativiert werden, da sie nicht praxisgerecht ist und die in der
Grenzwertgebung nach ICNIRP [33] ebenfalls festgeschriebene zeitliche Mittelung der
SAR völlig ignoriert.
In der Praxis wird man in der Umgebung von UWB-Geräten nicht einem einzelnen
Impuls ausgesetzt sein, sondern einer mehr oder weniger regelmäßigen Folge von (sehr
kurzen) UWB-Impulsen. In diesem Fall führt die Zeitmittelung sehr wohl wieder auf SARWerte die ein adäquates Maß für die mittlere absorbierte Strahlungsleistung und damit
für die thermische Belastung des Gewebes darstellt. Eine Bevorzugung der SA
gegenüber der SAR, mit dem Ziel einer Überbewertung der Exposition vorzubeugen, wie
in [22] suggeriert, ist demnach aus praktischer Sichtweise nicht nachvollziehbar.
Allerdings bleibt festzuhalten, dass die zeitgemittelte SAR zwar eine adäquate
Bewertungsgröße für die thermische Belastung des Gewebes darstellt, allerdings nicht
für die ebenfalls als gesichert geltenden thermoelastischen Expansionseffekte, wie z.B.
das so genannte Mikrowellenhören [34]. Im Falle energiereicher Impulse können solche
Effekte auftreten, obwohl die zeitlich gemittelte SAR und damit die thermische
Gewebebelastung noch deutlich unterhalb kritischer Werte liegen. Aus diesem Grund
legt ICNIRP [33] zusätzlich zu den Grenzwerten für die zeitgemittelte SAR für gepulste
elektromagnetische Felder auch Grenzwerte für die maximale spezifische Absorption SA
pro Impuls fest (2 mJ/kg für die Allgemeinbevölkerung, 10 mJ/kg für berufliche
Exposition, jeweils gemittelt über 10 g Gewebe).
Grundsätzlich sind daher für eine umfassende Beurteilung der Exposition in UWBFeldern sowohl die SAR, als auch die SA notwendige (und nicht alternative)
Beurteilungsgrößen. Welche der beiden Größen das strengere Kriterium bei der
Beurteilung darstellt, hängt von den jeweiligen Eigenschaften der UWB-Immissionen
(Energieinhalt des Impulses, Impulsdauer, Impulswiederholzeit) ab.
Für die in Kapitel 3.2.2 betrachtete hypothetische Befeldungssituation mit einer
maximalen SAR10g von 3,89*10-6 mW/g und maximalen SA10g von 3,89*10-14 mJ/g stellt
43
aufgrund der relativ kleinen Impulsamplitude bei gleichzeitig relativ großem Verhältnis
von Impulsdauer zu Impulswiederholzeit, die SAR das bei weitem strengere Kriterium
dar, wenngleich die Absolutwerte dieser SAR und SA im Vergleich zu den Grenzwerten
deutlich zeigen, wie gering die zu erwartende typische Exposition von
regulierungskonformen UWB-Geräten für Kommunikationszwecke in der Praxis sein
wird.
44
4 AKTUELLER STAND DER UWB-REGULIERUNG IN EUROPA
Gemäß der Entscheidung der Europäischen Kommission 2007/131/EG vom 21. Februar
2007 [2] waren alle EU-Mitgliedstaaten dazu angehalten die funkregulatorischen
Voraussetzungen für UWB-Geräte im Frequenzbereich 3,1-10,6 GHz innerhalb von 6
Monaten auf nationaler Ebene zu schaffen.
Mit teilweise geringfügigen Verzögerungen ist dies in Deutschland, der Schweiz und
Österreich mittlerweile geschehen.
4.1 Situation in Deutschland
Am 16. Jänner 2008 hat die Bundesnetzagentur mit der Veröffentlichung der Verfügung
Vfg 1/2008 [35] die formal rechtlichen Grundlagen hinsichtlich der Frequenznutzung für
UWB-Geräte im Frequenzbereich zwischen 30 MHz und 10,6 GHz geschaffen. Das
Dokument mit dem Titel Allgemeinzuteilung der Frequenzen 30 MHz bis 10,6 GHz für die
Nutzung durch Anwendungen geringer Leistung der Ultra-Wideband (UWB) Technologie
legt die Frequenznutzungsbedingungen für UWB-Geräte in Deutschland fest. Tabelle 4.1
fasst diese Bedingungen zusammen und Abbildung 4.1 zeigt die dadurch definierte
Spektralmaske für die maximale mittlere EIRP-Sendeleistungsdichte.
Frequenzbereich
[GHz]
0,03 1,6
1,6 - 2,7
2,7 – 3,4
3,4 - 3,8
3,8 - 4,2
4,2 - 4,8
4,8 - 6,0
6,0 - 8,5
8,5 - 10,6
> 10,6
max. mittlere EIRP-Sendeleistungsichte [dBm / MHz]
Geräte ohne
Störminderungstechnik
bis 31.12.2010
- 90,0
- 85,0
- 70,0
- 80,0
- 70,0
- 41,3
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Geräte ohne
Störminderungstechnik
ab 01.01.2011
- 90,0
- 85,0
- 70,0
- 80,0
- 70,0
-70,0
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Geräte mit
Störminderungstechnik
- 90,0
- 85,0
- 70,0
- 41,3
- 41,3
-41,3
- 70,0
- 41,3
- 65,0
- 85,0
Tabelle 4.1: Sendeleistungsdichtelimits für UWB-Geräte gemäß Vfg 1/2008 der Bundesnetzagentur.
Interessant, jedoch für die Expositionsbeurteilung praktisch irrelevant erscheint die
Tatsache, dass die Vorgaben der Bundesnetzagentur in den Frequenzbereichen 2,73,4 GHz und 3,4-3,8 GHz um 15 dB bzw. 5 dB weniger restriktiv sind als die
Festlegungen in 2007/131/EG (vgl. mit Tabelle 2.1 und Abbildung 2.1).
45
EIRP Sendeleistungslimit für UWB Geräte [dBm/MHz
-20
ohne Störminderungstechnik bis 31.12.2010 gemäß 2007/131/EC
-30
ohne Störminderungstechnik nach dem 31.12.2010 gemäß 2007/131/EC
mit Störminderungstechnik gemäß 2007/131/EC
zwischen 2,7 und 3,8 GHz von 2007/131/EC abweichende Festlegung lt. Vfg. 1/2008
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
1
10
Frequenz [GHz]
100
Abbildung 4.1: Graphische Darstellung der maximalen mittleren EIRP Sendeleistungsdichten für UWB-Geräte gemäß der
aktuellen Verfügung Vfg 1/2008 der Bundesnetzagentur
4.2 Situation in der Schweiz
In der Schweiz existieren bereits seit 2007 detaillierte Funkschnittstellenbeschreibungen
mit den Bezeichnungen Radio Interface Regulation RIR 1023-01 bis 05 für UWB-Geräte.
Die technischen Spezifikationen entsprechen weitgehend den Vorgaben der
Entscheidung der Europäischen Kommission 2007/131/EG.
4.3 Situation in Österreich
Im aktuellen Entwurf einer Neuausgabe der Frequenznutzungsverordnung sind UWBAnwendungen im Frequenzbereich 4,1-10,6 GHz, mit Verweis auf die Bedingungen der
Entscheidung der Europäischen Kommission 2007/131/EG bereits eingearbeitet. Die
offizielle Herausgabe diese Dokuments steht noch aus (Stand 03.02.2008).
46
5 WEITERES VORGEHEN IM PROJEKT
5.1 Messtechnische Untersuchungen
Da in den meisten europäischen Ländern die funkregulatorischen Voraussetzungen für
UWB-Geräte, wenn überhaupt, erst seit wenigen Wochen gegeben sind, sind nach wie
vor keine UWB-Geräte gemäß der europäischen Funkregulierung am Markt erhältlich.
Die durchzuführenden messtechnischen Untersuchungen werden daher mit den bereits
angekauften, zur FCC-Regulierung konformen Geräten, dem Belkin Cable-Free USB
Hub (MB-OFDM-UWB nach WiMedia) und dem PulsON P210 von Time Domain, Inc.
(Impuls-UWB) durchgeführt, wobei unterschiedliche Expositionsrandbedingungen
betrachtet werden. Im Speziellen sollen die Immissionen im Umgebungsbereich der
Geräte für annähernd ideale Freiraumausbreitung (echofreier Raum), ideal
reflektierender Umgebung (metallische Begrenzungen), teilweise reflektierender
Umgebung (z.B. metallisches Objekt hinter der Quelle bzw. zwischen Quelle und
Messpunkt) und in zwei weiteren typischen Umgebungen (Büroarbeitsplatz,
Besprechungsraum) untersucht werden.
Parallel dazu wird der europäische Markt hinsichtlich der Verfügbarkeit erster UWBGeräte weiter beobachtet. Sollten bis ca. Mitte März 2008 entsprechende Geräte
verfügbar werden, wird versucht, auch diese noch in die messtechnischen
Untersuchungen mit einzubeziehen, wobei dann (im Sinne einer Aufwandsneutralität) die
Anzahl der betrachteten Randbedingungen entsprechend reduziert wird.
5.2 Numerische Berechnungen
Trotz der Tatsache, dass entsprechende Anwendungen noch nicht kommerziell
verfügbar sind, sind bereits einige Expositionsszenarien mit körpernahem Betrieb von
UWB-Sendegeräten abzusehen.
Folgende Szenarien sollen mindestens untersucht werden:
•
Quelle nahe Oberschenkel (z.B.: Situation eines Notebooks mit UWB-Modul)
•
Quelle unmittelbar am Brustkorb (z.B.: Körpersensor-UWB-Modul mit in Kleidung
integrierter Antenne oder beliebiges anderes UWB-Gerät in der Brusttasche)
•
Quelle unmittelbar am Kopf (z.B.: EEG-Signalübertragung über UWB)
•
Quelle am Handgelenk (Körpersensor-UWB-Modul als Armband)
•
UWB-Quelle unmittelbar vor dem Auge
Alle betrachteten genannten Szenarien sollen zumindest für 2-3 unterschiedliche
spektrale Zusammensetzungen des Quellensignals untersucht werden.
47
6 LITERATUR
[1]
Schmid G, Neubauer G. Bestimmung der Exposition durch Ultra-Wideband
Technologien. Tei 1(Arbeitspaket 1): Bestandsaufnahme. 1. Zwischenbericht zum
gegenständlichen Forschungsvorhaben, ARC-IT-0212, Juli 2007
[2]
Entscheidung der Europäischen Kommission über die Gestattung der
harmonisierten Funkfrequenznutzung für Ultrabreitbandgeräte in der Gemeinschaft
2007/131/EG, Amtsblatt der Europäischen Union, 21. Februar 2007.
[3]
FCC 02 48A1 Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding UltraWideband Transmission Systems, February 2002, Version vom 4. Mai 2007
http://www.fcc.gov/oet/info/rules/part15/part15-5-4-07.pdf
[4]
Eisenbacher M. Optimierung von Ultra-Wideband-Signalen (UWB).
Forschungsberichte aus dem Institut für Nachrichtentechnik der Universität
Karlsruhe, Band 16, ISSN: 1433-3821
[5]
ISO/IEC 26907:2007: Information technology -- Telecommunications and
information exchange between systems -- High Rate Ultra Wideband PHY and MAC
Standard, March 2007
[6]
ISO/IEC 26908:2007: Information technology -- Telecommunications and
information exchange between systems -- MAC-PHY Interface for ISO/IEC 26907,
January 2007
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III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues. Phys. Med. Biol. 41,
2271–2293 (1996
[8]
EN 50371, Fachgrundnorm zum Nachweis der Übereinstimmung von
elektronischen und elektrischen Geräten kleiner Leistung mit den Basisgrenzwerten
für die Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern (10 MHz bis 300
GHz) – Allgemeine Öffentlichkeit, CENELEC, Brüssel, März 2002
[9]
Tektronix, Digital Storage Oscilloscopes TDS 6000 Series, Technical Specifications
[10] Agilent, Infiniium DSO 80000 Series Oscilloscopes, Technical Specifications
[11] Time Domain Corp.: http://www.timedomain.com
[12] Fa. Belkin: Cable-Free USB Hub, User manual:
http://www.belkin.com/support/dl/P75325_F5U301_manual.pdf
[13] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU (Hrsg.):
Bestimmung der realen Feldverteilung von hochfrequenten elektromagnetischen
Feldern in der Umgebung von Wireless LAN-Einrichtungen (WLAN) in
innerstädtischen Gebieten. Schriftenreihe BMU-2007-702,
http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/schriftenreihe_rs702.pdf
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[14] Austrian Research Centers GmbH, Precision Omnidirectional Dipole, Austrian
Research Centers GmbH, Produkt-Datenblatt http://www.seibersdorfrf.com/docs/leaflet/W_Products_POD16_POD618_engl.pdf
[15] Rohde und Schwarz, Logarithmisch Periodische Antenne, Modell SAS-200/518,
Produktbeschreibung
[16] EMCO, Model 3115 Double Ridged Waveguide Horn Antenna,
Produktspezifikationen, erhältlich z.B. unter
http://www.leasametric.com/tem/datasheet/EMCO/3115_EN.pdf
[17] Bornkessel C, Schubert M. Entwicklung von Mess- und Berechnungsverfahren zur
Ermittlung der Exposition der Bevölkerung durch elektromagnetische Felder in der
Umgebung von Mobilfunk Basisstationen. Abschlussbericht 2005. http://www.emfforschungsprogramm.de/forschung/dosimetrie/dosimetrie_abges/dosi_015_AB.pdf
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Leistung der Ultra-Wideband (UWB) Technologie
50
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