Belkin | F5U301 - CableFree USB Hub | als PDF-Datei - Deutsches MOBILFUNK

Forschungsvorhaben
Bestimmung der Exposition durch UltraWideband Technologien
Teil 3 (Arbeitspaket 3):
Messungen und Berechnungen
Gernot Schmid, Stefan Cecil, Benjamin Petric, Luis Alberto Pérez
Mai 2008
Exemplar 1
ARC-IT-0236
… denn Wissen schafft Zukunft
Verteiler:
1-2
3
4
5
6
7
8
Bundesamt für Strahlenschutz
DI. Lamedschwandner
DI. Schmid
DI Cecil
Ing. Petric
Hr. Pérez, BSc.
Sekretariat ARCS/IT
ARC-IT-0236
Mai 2008
Bestimmung der Exposition durch Ultra
Wideband Technologien
3. Zwischenbericht zum Forschungsvorhaben
Arbeitspaket 3 : Messungen und Berechnungen
im Auftrag des
Bundesamtes für Strahlenschutz
38201 Salzgitter, Deutschland
Gernot Schmid, Stefan Cecil, Benjamin Petric, 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
Dipl. Ing. Stefan Cecil
Geschäftsfeld Sichere Mobilkommunikation, Bereich Smart Systems
Austrian Research Centers GmbH-ARC
A-2444 Seibersdorf
Ing. Benjamin Petric
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 dritten und letzten Arbeitspaket dieses Vorhabens wurden einerseits messtechnische
Immissionserhebungen in der Nähe bereits verfügbarer UWB-Geräte und andererseits
numerische Berechnungen der Strahlungsabsorption für unterschiedliche Szenarien mit
körpernah betriebenen UWB-Quellen durchgeführt.
Sowohl die Messungen als auch die numerischen Berechnungen bestätigten den bereits
auf Basis theoretischer Überlegungen ableitbaren Befund, dass die Exposition von
Personen durch UWB-Geräte (konform zur gegenwärtigen Funkregulierung) im Vergleich
zur Exposition mit anderen, bereits etablierten Funkanwendungen, äußerst gering ist.
Die Messungen an den untersuchten Geräten ergaben in 15 cm Abstand maximale,
zeitlich gemittelte Werte der äquivalenten Strahlungsleistungsdichte von nicht mehr als
ca. 0,32 mW/m2, was 0,0032% des entsprechenden ICNIRP-Referenzwertes für die
Allgemeinbevölkerung von 10 W/m2 entspricht.
Die numerischen Berechnungen unter Betrachtung von unterschiedlichen, in Zukunft
denkbaren Expositionssituationen mit unmittelbar am Körper betriebenen UWB-Sendern
(Abstand zwischen Körper und Antenne im Bereich 8-12 mm), führten auf maximale über
10g Gewebe gemittelte SAR-Werte bis maximal 0,013 W/kg, bei Zugrundelegung einer
100% Ausnutzung des zur europäischen bzw. deutschen Funkregulierung konformen
Sendespektrums. Für reale Geräte, mit geringerer spektraler Effizienz, bzw. für Geräte
die nur Subbereiche des zur Verfügung stehenden UWB-Frequenzbandes nutzen, ist
daher davon auszugehen, dass die maximalen SAR10g-Werte deutlich geringer sein
werden. Beispielsweise liegen die maximalen Sendeleistungen der konkret untersuchten
Geräte im Bereich von weniger als ca. 40 μW. Selbst wenn diese Sendeleistung (einer
sehr theoretischen Überlegung folgend) vollständig innerhalb der Mittelungsmasse von
10g absorbiert wird, kann dies zu nicht mehr als 0,004 W/kg SAR10g führen (0,2% des
Basiswertes für lokale Exposition des Kopfes für die Allgemeinbevölkerung nach
ICNIRP).
Im Vergleich zu anderen am Körper betreibbaren Funkanwendungen (Mobiltelefon,
DECT, WLAN, Bluetooth-Klasse 1) sind daher die von UWB-Geräten zu erwartenden
maximalen SAR-Werte um mehrere Größenordnungen geringer einzustufen. Selbst im
Vergleich zu Bluetooth-Geräten der Klasse 3 (1 mW Sendeleistung) werden UWBGeräte im Allgemeinen noch zu deutlich geringeren, von der jeweiligen Anwendung
abhängigen, SAR-Werten führen.
Die von regulierungskonformen Geräten zu erwartenden Werte der maximalen über 10g
gemittelten spezifischen Absorption SA10g werden noch deutlicher als die maximalen
SAR10g-Werte unterhalb des entsprechenden Limits liegen, typischerweise im Bereich
von deutlich weniger als 10-8 J/kg, was deutlich weniger als 0,0005% des Basiswertes
von 2 mJ/kg entspricht.
1
INHALT
1 EINLEITUNG.......................................................................................................... 3
2 MESSTECHNISCHE EXPOSITIONSERFASSUNG IN DER UMGEBUNG
VON UWB-GERÄTEN ........................................................................................... 4
2.1 Gegenwärtig verfügbare UWB-Geräte.......................................................... 4
2.2 Messtechnisch untersuchte UWB-Geräte.................................................... 5
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Gerät 1: Cable Free USB Hub und Adapter (Belkin, Inc.) [8] ...............................5
Gerät 2: Wireless USB Hub und Adapter (IOGEAR, Inc.) [9] ...............................6
Gerät 3: PulsON Reference Design (Time Domain, Inc.) [10] ..............................6
Gerät 4: Ubisense Serie 7000 (Ubisense AG) [11]..............................................7
2.3 Messmethoden............................................................................................... 8
2.3.1
Unsicherheiten zufolge Messungen im Nahfeld der Messantenne.....................10
2.4 Messergebnisse ........................................................................................... 12
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
Gerät 1: Cable Free USB Hub und Adapter (Belkin, Inc.) ..................................12
Gerät 2: Wireless USB Hub und Adapter (IOGEAR, Inc.) ..................................13
Gerät 3: PulsON Reference Design (Time Domain, Inc.) ...................................14
Gerät 4: Ubisense Serie 7000 (Ubisense AG)....................................................15
3 NUMERISCHE BERECHNUNGEN DER EXPOSITION DURCH UWBANWENDUNGEN ................................................................................................ 19
3.1 Betrachtete Szenarien ................................................................................. 19
3.2 Berechnungsmethode ................................................................................. 19
3.2.1
3.2.2
3.2.3
Feldquellen-Modelle ...........................................................................................19
Berechnungsmethode für unterschiedliche spektrale Anregungen ....................23
Konkret betrachtete spektrale Anregungsformen ...............................................25
3.3 Dielektrische Gewebeparameter ................................................................ 30
3.4 Berechnungsergebnisse ............................................................................. 31
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
Szenario 1: Notebook mit UWB-Sendemodul auf Oberschenkel .......................31
Szenario 2: UWB-Funkmodul am Hinterkopf für EEG-Übertragung...................33
Szenario 3: UWB-Funkmodul in Augennähe (Videobrille)..................................36
Szenario 4: UWB-Funkmodul am Brustkorb (z.B. EKG-Übertragung) ...............38
Szenario 5: Modell mit 3 simultan betriebenen Quellen .....................................42
4 BEURTEILUNG DER MESS- UND BERECHNUNGSERGEBNISSE ................. 45
4.1 Exposition im Fernfeld von UWB-Geräten................................................. 45
4.2 Exposition bei körpernah betriebenen UWB-Geräten .............................. 47
4.3 Erhöhung des Immissionshintergrundes durch UWB-Geräte ................. 48
5 LITERATUR ......................................................................................................... 50
2
1 EINLEITUNG
Nachdem
in den beiden vorangegangenen
Arbeitspaketen ([1],[2]) die
expositionsrelevanten Grundlagen der UWB-Technologie zusammengefasst, der aktuelle
Stand der Standardisierung und Funkregulierung erhoben und geeignete Mess- und
Berechnungsverfahren für die Expositionsbestimmung erarbeitet wurden, erfolgten im
abschließenden dritten Arbeitspaket Expositionsbestimmungen in praktisch relevanten
Expositionsszenarien.
Es wurden dazu einerseits messtechnische Untersuchungen in der Umgebung von
insgesamt 4 unterschiedlichen, gegenwärtig kommerziell erhältlichen UWB-Geräten
durchgeführt, wobei auch unterschiedliche Ausbreitungsbedingungen (Reflexivität der
Umgebung) betrachtet wurden.
Andererseits erfolgten numerische Berechnungen der Exposition unter Verwendung
eines detaillierten anatomischen Körpermodells, basierend auf dem Datensatz des
Visible Human Projekts mit mehr als 100 unterscheidbaren Gewebebereichen. Bei
diesen Berechnungen wurden vor allem Szenarien betrachtet, bei denen UWB-Quellen
unmittelbar am Körper betrieben werden. Mangels Verfügbarkeit von entsprechenden
kommerziellen Produkten zum gegenwärtigen Zeitpunkt, wurden für diese
Berechnungsszenarien Situationen bzw. Anwendungen gewählt, wie sie derzeit zwar
noch nicht erhältlich, jedoch bereits absehbar, bzw. von einigen (potenziellen)
Herstellern angekündigt sind.
Die
Messund
Berechnungsergebnisse
wurden
schließlich
aus
strahlenschutztechnischer Sicht beurteilt und mit den Immissionen bzw. Expositionen,
anderer etablierter Funktechnologien verglichen.
3
2 MESSTECHNISCHE EXPOSITIONSERFASSUNG IN DER
UMGEBUNG VON UWB-GERÄTEN
2.1 Gegenwärtig verfügbare UWB-Geräte
Grundsätzlich sind weltweit gegenwärtig nur sehr wenige UWB-Geräte kommerziell
erhältlich. Dies liegt einerseits an der erst kürzlich fixierten Funkregulierung in Europa [3]
bzw. Deutschland [4], andererseits stehen UWB-Anwendungen auch in den USA, wo die
Funkregulierung bereits seit 2001 [5] vorliegt, erst am Anfang der Verbreitung im
Massenmarkt. Die Gründe für letztere Tatsache sind offensichtlich in den lang
anhaltenden rivalisierenden Standardisierungsbestrebungen des UWB-Forums und der
WiMedia Alliance zu suchen, die erst seit Ende 2006/Anfang 2007 zugunsten der
WiMedia Alliance entschieden wurden. Erst das Vorliegen eines von der WiMedia
Alliance propagierten MB-OFDM basierten ISO/IEC Standards [6], [7] für UWBAnwendungen im Bereich der Datenübertragung (inkl. Video und Sprache) war
offensichtlich der entscheidende Moment für die Hersteller mit konkreten Produkten in
den Markt zu gehen. Die ersten auf dem genannten Standard basierenden Produkte sind
seit Ende 2007 auf dem US-amerikanischen Markt erhältlich (konform zur FCC
Regulierung für UWB). Es handelt sich dabei bisher fast ausschließlich um so genannte
„Wireless USB Hubs“ bzw. „Cable Free USB Hubs“; Anwendungen, die einer drahtlosen
Erweiterung der USB-Anschlussmöglichkeiten eines Computers dienen. Diese,
gegenwärtig in den USA verfügbaren Geräte arbeiten ausschließlich in Bandgruppe 1,
d.h. im Frequenzbereich von 3,1-4,8 GHz. Geräte, die der europäischen Funkregulierung
entsprechen sind bisher noch nicht verfügbar, werden allerdings noch 2008 erwartet.
Aus einer Gegenüberstellung der WiMedia Bandgruppendefinition und der europäischen
UWB-Funkregulierung ist jedoch zu erkennen, dass in Europa nur die Bandgruppe 3 (ca.
6,3-7,9 GHz) vollständig nutzbar ist. In Bandgruppe 1 sind langfristig, unter der
Voraussetzung der Implementierung von Störminderungstechniken, nur Band 2 und 3
nutzbar, und in Bandgruppe 4 nur das unterste Band (Band 10, ca. 7,9-8,5 GHz). Nach
[4] sind diese Störminderungstechniken an eine signifikante Reduktion der
Aussendungsrate (Duty Cycle) und damit schlussendlich eine verringerte Datenrate
geknüpft, wodurch der Frequenzbereich unterhalb von 4,8 GHz in Europa für
Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Datenrate praktisch nicht sinnvoll
nutzbar ist. D.h., für den europäischen Markt sind die Hersteller gezwungen zu höheren
Frequenzen (6,0-8,5 GHz) auszuweichen. Ob dieser Umstand zu weiteren
Verzögerungen bei der Markteinführung Anlass gibt, bleibt abzuwarten.
Die unmittelbar absehbaren UWB-Anwendungen im Bereich der reinen
Datenkommunikation
(ohne
die
Notwendigkeit
von
Ortungsbzw.
Lokalisierungsfunktionalität) werden aus gegenwärtiger Sicht nahezu ausschließlich auf
dem genannten MB-OFDM basierten Übertragungsverfahren beruhen.
Anwendungen, bei denen Ortungs- bzw. Lokalisierungsfunktionalitäten erforderlich sind
werden auf Impuls-basiertem, „klassischem“ UWB beruhen. Da hier gegenwärtig keine
Standardisierung absehbar ist, werden solche Anwendungen auf herstellerspezifischen
Verfahren bzw. Übertragungsprotokollen beruhen. In dieser Anwendungskategorie seit
längerem bekannt sind Geräte zum Zwecke der Personenortung bzw. –verfolgung im
militärischen bzw. polizeilichen Bereich. Jedoch sind bereits auch für einige zivile
Anwendungen, bei denen der Lokalisierung von Objekten oder Personen Bedeutung
zukommt, große Marktchancen absehbar. Ein derartiges, im Frequenzbereich 6 – 8 GHz
4
arbeitendes System ist sogar bereits für den europäischen Markt verfügbar und wurde
messtechnisch hinsichtlich der verursachten Immissionen untersucht.
Für die im Zuge des vorliegenden Vorhabens durchgeführten messtechnischen
Untersuchungen sollten repräsentative Geräte ausgewählt werden. Aufgrund der oben
geschilderten Situation einer erst sehr eingeschränkten Verfügbarkeit kommerzieller
Geräte, mussten daher Kompromisse gemacht werden. Als Vertreter von MB-OFDM
basierten UWB Anwendungen wurden zwei, für den US amerikanischen Markt, nicht
aber gemäß der europäischen Regulierung zugelassene Produkte der oben angeführten
Kategorie „Wireless USB Hub“ bzw. „Cable Free USB Hub“ untersucht.
Als Repräsentanten von Impuls basiertem UWB wurden ebenfalls zwei unterschiedliche
Produkte betrachtet. Einerseits wurden Immissionsmessungen in der Umgebung eines,
zu einem UWB-Developer-Kit gehörenden UWB-Sendeempfängers durchgeführt
(konform zur US amerikanischen Funkregulierung), und andererseits erfolgten
Messungen im Nahbereich von UWB-Sende-Tags des oben genannten, in Europa
bereits kommerziell erhältlichen Ortungs- bzw. Lokalisierungssystems.
2.2 Messtechnisch untersuchte UWB-Geräte
Im Folgenden werden die konkret messtechnisch untersuchten UWB-Geräte im Detail
beschrieben.
2.2.1 Gerät 1: Cable Free USB Hub und Adapter (Belkin, Inc.) [8]
Dieses Gerät dient als drahtlose Erweiterung der USB-Schnittstelle eines Computers. In
kabelgebundener Form bzw. drahtlos, basierend auf WLAN-Technik (IEEE
802.11a,b,g,h), sind USB-Hubs bereits seit mehreren Jahren am Markt erhältlich. Das in
Abbildung 2.1 dargestellte Gerät war im Sommer 2007 eines der ersten, die diese
Funktionalität basierend auf MB-OFDM UWB bieten. Es besteht aus einem Adapter und
dem zugehörigen Hub mit 4 USB Steckplätzen. Der Adapter wird, wie herkömmliche
USB-Speichersticks, an eine freie USB-Buchse des Computers angesteckt und der Hub
wird zur Stromversorgung über ein Steckernetzteil an die Netzsteckdose angeschlossen.
Die Installation einer entsprechenden Treiber- bzw. Konfigurationssoftware am Computer
vorausgesetzt, wird automatisch eine UWB-Funkverbindung zwischen Adapter und Hub
hergestellt und alle herkömmlichen am Hub angeschlossenen USB-tauglichen Geräte
(Kameras, Speichersticks, MP3-Player, usw.) sind sofort ansprechbar (so als ob sie
direkt an einem USB-Port des Computers angeschlossen wären).
Abbildung 2.1: Adapter (links) und Hub (rechts) des Belkin Cable Free USB Produkts F5U301
5
Über kurze Distanzen (z.B. am Schreibtisch) sollen damit Bruttodatenraten bis zu 480
Mbit/s möglich sein. Da es sich um eine bidirektionale Übertragung handelt, sind
selbstverständlich beide Gerätekomponenten (Adapter und Hub) als UWB-Quellen
anzusehen. Beide Komponenten verfügen über unterschiedliche integrierte Antennen,
die als gedruckte Schaltungen realisiert sind.
Das für den US-Markt, nicht aber für Europa zugelassene Gerät arbeitet nach dem
WiMedia Standard [6],[7] und nutzt nur die Bandgruppe 1, d.h., die drei jeweils 528 MHz
breiten Kanäle mit den Mittenfrequenzen 3432, 3960, 4488 MHz. Als Time Frequency
Codes (TFC) stehen nur TFC1, TFC2, TFC5, TFC6 und TFC7 zur Verfügung (vgl.
Kapitel 2.3.3 in [1]), wobei die Auswahl des TFC entweder automatisch oder manuell
über eine Konfigurationssoftware erfolgen kann.
Als maximale Sendeleistung wird im Handbuch zum Gerät 80 μW bzw. -41,25 dBm/MHz
angegeben.
2.2.2 Gerät 2: Wireless USB Hub und Adapter (IOGEAR, Inc.) [9]
Hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten entspricht dieses Gerät exakt jenen des oben
beschriebenen Gerätes von Belkin. Ebenso wird nur die Bandgruppe 1 (ca. 3,1-4,8 GHz)
genutzt, wobei bei diesem Gerät grundsätzlich alle 7 definierten TFCs angeboten
werden. Das Gerät ist demnach ebenfalls nicht für den europäischen Markt zugelassen.
Im Gegensatz zum Belkin-Gerät besitzt der Hub eine externe, leicht abnehmbare
Stabantenne.
Angaben über die tatsächliche HF-Ausgangsleistung werden in der Bedienungsanleitung
des Gerätes nicht gemacht.
Abbildung 2.2: Adapter (links) und Hub (rechts) des IOGEAR Wireless USB Produkts GUWH104KIT
2.2.3 Gerät 3: PulsON Reference Design (Time Domain, Inc.) [10]
Bei diesem Gerät handelt es sich um ein Developers Kit für Anwendungen auf Basis von
Impuls-basierter, “klassischer“ UWB-Funktechnik. Die Konfiguration der Geräte erfolgt
über die mitgelieferte Software. Die Funkschnittstelle der Geräte ist konform zur US
amerikanischen 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.
6
52 μW). Abbildung 2.3 zeigt die beiden Sendeempfänger. Als Strahlungselement dient
eine extern montierte, gedruckte Breitbandantenne.
Abbildung 2.3: PulsON P210 Reference Design Kit
2.2.4 Gerät 4: Ubisense Serie 7000 (Ubisense AG) [11]
Bei diesem Gerät handelt es sich um eines der ersten, kommerziell erhältlichen und zur
europäischen UWB-Regulierung konformen Systeme zur Echtzeitlokalisierung (Real
Time Location Systems, RTLS). Es arbeitet im Frequenzbereich zwischen 6 und 8 GHz
und besteht im Wesentlichen aus den zu lokalisierenden Tags, die UWB-Impulse
absetzen und mehreren (typischerweise 4) Sensoren, die als UWB-Empfänger ausgelegt
sind. Die Sensoren, üblicherweise in den Ecken des zu überwachenden Raumes
montiert, sind kabelgebunden mit einem Computer verbunden, der mittels der
zugehörigen Software die notwendigen Konfigurations- Synchronisierungs-,
Auswertungs- und Visualisierungsaufgaben übernimmt. Die von den Tags
ausgesendeten UWB-Impulse werden von den Sensoren empfangen und hinsichtlich
Angle of Arrival (AoA) and Time Difference of Arrival (TDoA) ausgewertet. Bei
Verwendung mehrerer Sensoren ist damit eine präzise dreidimensionale Ortung der
Tags möglich. Durch den Einsatz mehrerer, entsprechend vernetzter Sensorgruppen,
können Tags über einen räumlich sehr großen Bereich lokalisiert und verfolgt werden,
dessen Ausdehnung ein Vielfaches der Primärreichweite von maximal ca. 10-20 m der
UWB-Funktechnik beträgt. Der potenziell große Anwendungsbereich solcher Systeme ist
daher überall dort gegeben, wo (mit entsprechenden Tags ausgestattete) Objekte bzw.
Personen identifiziert, lokalisiert oder verfolgt werden sollen, und es kann erwartet
werden, dass derartige Systeme neue Impulse auf dem Gebiet der Radio Frequency
Identification (RFID) setzen werden.
Abbildung 2.4 zeigt Fotos eines Sensors
(Abmessungen ca. 20 cm x 13 cm x 6 cm) und eines Tags (Abmessungen ca. 3,8 cm x
3,9 cm x 1,7 cm). Das aktiv UWB Impulse aussendende Tag ist zur Stromversorgung mit
einer 3 V Knopfzelle ausgestattet. Abhängig von der Anzahl der abgesetzten Impulse pro
Zeit sind Batterielebensdauern von mehreren Jahren möglich (z.B. 5 Jahre bei
Dauerbetrieb mit einer Update-Rate von 0,2 Hz). Der Sensor ist, wie bereits erwähnt, als
reiner UWB-Empfänger ausgelegt, der über ein Antennenarray eine räumliche und
7
zeitliche Auflösung der eintreffenden UWB-Impulse ermöglicht. UWB wird bei diesem
System ausschließlich zur Lokalisierung der Tags verwendet. Für den Austausch von
Daten (Konfigurationsdaten oder Informationsübertragung vom Tag zum Sensor) wird
zusätzlich ein eigener bidirektionaler Kommunikationskanal bei ca. 2,4 GHz zwischen
Sensor und Tag betrieben.
Abbildung 2.4: In einer Raumecke montierter Sensor (links) und ein Tag (rechts) des Ubisense Systems 7000
2.3 Messmethoden
Die oben beschriebenen Geräte 1-3 wurden für die durchzuführenden
Immissionsmessungen angekauft und konnten daher unter Laborbedingungen sehr
detailliert hinsichtlich der von ihnen verursachten UWB-Immissionen untersucht werden.
Mit diesen Geräten wurden unterschiedliche Arten von Messungen durchgeführt. Mit den
beiden Hubs der Geräte 1 und 2, sowie mit Gerät 3 wurden räumliche Verteilungen der
Immissionen in einem definierten 30 cm x 30 cm x 30 cm Messraster (Abbildung 2.5)
gemessen, wobei das Messraster in Hauptstrahlrichtung der Geräte lag. Die
Hauptstrahlrichtung der Geräte wurde zuvor jeweils durch Messungen in konstantem
Abstand zu den UWB Geräten bei unterschiedlicher räumlicher Lage der Geräte am
Drehtisch bestimmt.
Mit den USB-Adaptern der Geräte 1 und 2 wurden Immissionsmessungen in 15 und
30 cm Abstand in Hauptstrahlrichtung durchgeführt.
Alle oben genannten Messungen erfolgten unter unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen: nicht-reflexiv im echoarmen Raum und reflexiv mit metallisch begrenztem
Ausbreitungsraum. In zweitgenantem Fall wurden Metallwände in 50 cm Abstand seitlich
und hinter dem UWB-Gerät und in 1 m Abstand vor dem UWB-Gerät aufgestellt
(Abbildung 2.5).
Alle
Messungen
erfolgten
frequenzselektiv
und
quasi-isotrop
mit
einer
Doppelsteghornantenne Model 3115 (EMCO) und einem Spektrumanalysator E4405B
(Agilent). Während der Messungen wurde eine kontinuierliche Datenübertragung vom
jeweils untersuchten Gerät zur entsprechenden Gegenstelle aufrechterhalten. Als
Einstellungen am Spektrumanalysator für die Erfassung der mittleren Immissionen im
Messraster wurden gewählt:
8
•
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time 300-350 ms (bei 401 Frequenzpunkten)
VBW 3 MHz
RBW 100 kHz
Band Power Messung über gesamten Sendefrequenzbereich (lt. Gerätespez.)
Mittelung der Band Power Messungen über 10 Sweeps
Die Erfassung der Maximalimmissionen in Form der maximalen äquivalenten
Strahlungsleistungsdichte erfolgte in der Messposition mit maximaler mittlerer Immission
bei fix montierter Empfangsantenne in 15 cm Abstand zum Prüfling.
Für die MB-OFDM Geräte wird der Wert der Maximalimmissionen in Form des innerhalb
des abgesendeten HF-Bursts auftretenden Effektivwertes der Immission definiert. Die
folgenden Einstellungen am Spektrumanalysator wurden dafür verwendet.
•
•
•
•
•
•
RMS-Detektor
Sweep Time 15 ms (bei 401 Frequenzpunkten)
VBW 3 MHz
RBW 3 MHz
MAXHOLD Funktion
mit anschließender Bandbreitenkorrektur
Die relativ geringe Sweep Time zur Erfassung der Maximalimmissionen bei den MBOFDM Geräten ist bei dieser Messung aufgrund des RMS-Detektors notwendig [12].
Würde die pro Frequenzpunkt für die Berechnung des RMS Wertes zur Verfügung
stehende Zeit größer sein als die Länge der zu messenden HF-Bursts, käme es zu einer
Unterbewertung der Maximalimmission, da auch Zeitbereiche außerhalb des Bursts (d.h.
ohne Signalpegel) in die Integration im Zuge der Effektivwertberechnung eingeschlossen
würden. Im Fall der untersuchten MB-OFDM Geräte beträgt die Dauer der HF-Bursts (im
untersuchten Betriebszustand) ca. 40 μs. Die gewählte Sweep Time von 15 ms bei 401
Frequenzpunkten führt auf 37,5 μs pro Frequenzpunkt. Umgekehrt konnte auch verifiziert
werden, dass 15 ms Sweep Time noch ausreichend für eine adäquate
Effektivwertberechnung im Rahmen einer Genauigkeit von ca. ± 1 dB sind.
Metallwände bei reflexiven
Ausbreitungsbedingungen
Seitenansicht
Ansicht von oben
100 cm
15
15
A
B
C
UWB-Gerät
Drehtisch
50 cm
15 cm
15 15
15 cm
I
II
III
UWB-Gerät
50 cm
15 cm
15 cm
Drehtisch
50 cm
15 30 45
15 30 45
Abbildung 2.5: Definition des Messrasters für die Messungen der räumlichen Immissionsverteilung
9
15 cm
15 cm
Für die betrachteten Impuls-UWB-Geräte wurde die Größenordnung der maximalen
Feldstärkeamplitude mit folgenden Spektrumanalysator-Einstellungen abgeschätzt:
•
•
•
•
•
•
PEAK-Detektor
Sweep Time 100 ms (bei 401 Frequenzpunkten)
VBW 3 MHz
RBW 3 MHz
MAXHOLD Funktion
mit anschließender Bandbreitenkorrektur
Da das Ubisense System 7000 (Gerät 4) aus finanziellen Gründen nicht eigens für die
messtechnischen Untersuchungen angekauft werden konnte, erfolgten die Messungen in
diesem Fall nicht unter den gleichen HF-Laborbedingungen wie oben beschrieben
(echoarmer und ideal metallisch begrenzter Raum), sondern in einem ComputerLaborraum der Universität Salzburg, wo das Ubisense System 7000 zu
Forschungszwecken verwendet wird. In diesem Fall wurde das oben beschriebene
Messprozedere in vereinfachter Form angewendet (siehe Kapitel 2.4.4).
Weitere Details hinsichtlich der bei den einzelnen Geräten verwendeten Messmethodik
finden sich in den jeweiligen Kapiteln mit den Messergebnissen (2.4.1 - 2.4.4).
2.3.1 Unsicherheiten zufolge Messungen im Nahfeld der Messantenne
Bei den durchzuführenden UWB-Immissionsmessungen besteht aufgrund der geringen
Sendeleistungen der Geräte grundsätzlich die Problematik, dass nur relativ nahe an den
UWB-Quellen und dort auch nur mit (hoch)direktiven Messantennen sinnvolle, d.h.
deutlich über dem Hintergrundrauschen liegende Messwerte erzielt werden können (vgl.
Kapitel 2 in [2]). Aufgrund physikalischer Gegebenheiten sind die Abmessungen von
Antennen mit großer Direktivität im Allgemeinen groß gegenüber der Wellenlänge λ.
Dadurch stellen sich erst in relativ großem Abstand (>>λ) von der Antenne exakt
Fernfeldbedingungen ein. Die Kalibrierdaten (z.B. Antennenfaktor) solcher Antennen
sind daher üblicherweise erst in Abständen ≥ 1m definiert. Wird der in 1m Abstand
definierte Antennenfaktor auf Roh-Messdaten angewendet, die bei wesentlich
geringerem Abstand zwischen Quelle und Messantenne gewonnen wurden, ist mit
zusätzlichen Messunsicherheiten zu rechnen, die mit dem in Abbildung 2.6 schematisch
dargestellten Versuchsaufbau abgeschätzt wurden. Es wurde dazu im echoarmen Raum
eine kleine, mit konstanter Leistung angespeiste Referenzquelle (3,1 GHz bzw. 7,5 GHz
Halbwellendipole) positioniert und mit der bei den Immissionsmessungen verwendeten
Hornantenne Feldstärkemessungen in unterschiedlichen Abständen d zur Quelle
durchgeführt, wobei sowohl vertikale als auch horizontale Polarisierung der
Referenzquelle betrachtet wurden1.
Aufgrund der Kleinheit der Referenzquellen kann davon ausgegangen werden, dass sich
die Hornantenne bereits im Fernfeld der Referenzquellen befindet. Etwaige
Abweichungen vom erwarteten 1/d Feldstärkeverlauf sind daher auf die Tatsache
zurückzuführen, dass die in 1 m Abstand definierten Messantennenparameter in
geringeren Distanzen zur Feldquelle nicht mehr exakt gültig sind. Aus dem in Abbildung
2.7 dargestellten Verlauf der gemessenen Feldstärke über der Distanz ist zu erkennen,
1 Die Messungen zeigten, dass die Feldstärkeanteile bei horizontal polarisierter Referenzquelle selbst bei d=10 cm um mindestens
17 dB unterhalb jener Werte bei vertikaler Polarisierung lagen und daher im konkreten Fall nur vernachlässigbaren Einfluss
haben.
10
dass sich bei 15 cm Abstand zur Antenne eine maximale Abweichung von ca. 3,5 dB
(entspricht einem Faktor von ca. 1,5 für die Feldstärke bzw. 2,2 für die
Leistungsflussdichte) vom für das Fernfeld charakteristischen Verlauf einer 1/d
(Feldstärke) bzw. 1/d2 (Leistungsflussdichte) Abnahme ergibt. Für größer werdende
Abstände d werden die Abweichungen geringer. Weiters zeigt Abbildung 2.7, dass dieser
Effekt, wie zu erwarten, stärker bei niedrigeren Frequenzen zutage tritt, da hier die
Fernfeldbedingungen (für die Messantenne) bei kleiner werdendem Abstand früher
verletzt werden. Für die durchgeführten messtechnischen Immissionserhebungen
bedeutet dies, dass die Messergebnisse mit einem zusätzlichen, von der Frequenz und
der Distanz zwischen UWB-Quelle und Messantenne abhängigen Messfehler in
Richtung einer Unterschätzung der Immissionen behaftet sind. Alle im Folgenden
dargestellten Messergebnisse sind bezüglich dieses Messfehlers bereits korrigiert.
d
Messantenne
Horn
≈
Referenzquelle
(Dipol)
Spektrumanalysator
Abbildung 2.6: Schema zur Abschätzung der Unsicherheit zufolge der Messungen im Nahfeld der Messantenne
rel. Empfangsfeldstärke [dB]
-34
Δ=3,5 dB
theoretischer Verlauf
(1/d-Abnahme)
Δ=1,7 dB
-39
Δ=2,2 dB
Δ=1,1 dB
-44
Δ=1,0 dB
-49
3,1 GHz
-54
Δ=0,2 dB
7,5 GHz
-59
-64
1
10
Distanz [cm]
100
1000
Abbildung 2.7: Mit Hornantenne gemessene Feldstärke in Abhängigkeit von der Distanz zu einer Referenzquelle
11
2.4 Messergebnisse
2.4.1 Gerät 1: Cable Free USB Hub und Adapter (Belkin, Inc.)
Über den gesamten Zeitraum der Messungen wurde eine Datenübertragung zwischen
Hub und Adapter aufrechterhalten, wobei TFC 1 für die Übertragung verwendet wurde.
Tabelle 2.1 fasst die Messergebnisse bei Betrachtung des Hubs als Quelle zusammen.
Angegeben sind jeweils die Werte der mittleren äquivalenten Leistungsflussdichte Sequ,avg
an den Achsenschnittpunkten des Messrasters, sowie die maximale (nicht zeitlich
gemittelte), im MAXHOLD Modus gemessene Leistungsflussdichte Sequ,max an der
Position der maximalen mittleren Leistungsflussdichte.
A
A
A
B
B
B
C
C
C
Belkin Cable Free USB Hub
nicht-reflexive Umgebung
reflexive Umgebung
2
Sequ, avg [μW/m ]
Sequ, avg [μW/m2]
15 cm
30 cm 45 cm
15 cm 30 cm 45 cm
I
I
A
24.12
10.10
6.62
20.80
12.96
9.99
II
II
A
23.68
11.73
7.42
26.04
13.08
9.34
III
III
A
18.25
10.77
7.77
14.88
10.17
7.45
I
I
B
25.31
9.95
6.44
32.97
15.61
10.83
II
II
B
11.50
7.22
16.86
10.10
34.08
50.22
III
III
B
17.26
9.43
7.51
16.18
9.10
7.43
I
I
C
20.84
9.28
6.39
26.94
11.43
7.69
II
II
C
17.78
9.48
6.74
23.63
13.21
8.63
III
III
C
13.77
8.35
6.26
15.61
8.18
6.61
Sequ, max in Position B/II/15 cm:
Sequ, max in Position B/II/15 cm:
212,5 μW/m2
310,7 μW/m2
Tabelle 2.1: Ergebnis der Immissionsmessungen mit dem Belkin Cable Free USB Hub
Tabelle 2.2 fasst die Ergebnisse der Messungen in Hauptstrahlrichtung des USB
Adapters zusammen.
Belkin Cable Free USB Adapter
nicht-reflexive Umgebung
reflexive Umgebung
2
Sequ, avg [μW/m ]
Sequ, avg [μW/m2]
15 cm
30 cm
15 cm
30 cm
84,9
25,9
77,9
Sequ, max in 15 cm Entfernung:
515,3 μW/m2
23,75
Sequ, max in 15 cm Entfernung:
475,7 μW/m2
Tabelle 2.2: Ergebnis der Immissionsmessungen mit dem Belkin Cable Free USB Adapter
Der Einfluss der reflexiven Ausbreitungsbedingungen ist eher gering und bleibt kleiner
als ca. ± 2,5 dB. Interessant erscheint die Tatsache, dass der Adapter zu wesentlich
höheren Immissionen führt als der Hub, wenngleich das absolute Ausmaß der
Immissionswerte sehr gering ist. Der maximale Zeitmittelwert der Immissionen im
Abstand von 15 cm zum Adapter beträgt nicht mehr als 84,9 μW/m2. Dies entspricht
weniger
als
0,00085%
des
Leistungsflussdichte-Referenzwertes
für
die
Allgemeinbevölkerung gemäß ICNIRP [13] .
12
2.4.2 Gerät 2: Wireless USB Hub und Adapter (IOGEAR, Inc.)
In gleicher Weise wie bei den Messungen mit Gerät 1 wurde im gesamten Zeitraum der
Messungen eine Datenübertragung zwischen Hub und Adapter aufrechterhalten, wobei
auch hier TFC 1 für die Übertragung verwendet wurde.
Tabelle 2.3 fasst die Messergebnisse bei Betrachtung des Hubs als Quelle zusammen.
Angegeben sind jeweils die Werte der mittleren äquivalenten Leistungsflussdichte Sequ,avg
an den Achsenschnittpunkten des Messrasters, sowie die maximale (nicht zeitlich
gemittelte), im MAXHOLD Modus gemessene Leistungsflussdichte Sequ,max an der
Position der maximalen mittleren Leistungsflussdichte.
A
A
A
B
B
B
C
C
C
IOGEAR Wireless USB Hub
nicht-reflexive Umgebung
reflexive Umgebung
Sequ, avg [μW/m2]
Sequ, avg [μW/m2]
15 cm
30 cm 45 cm
15 cm 30 cm 45 cm
I
I
A
24.29
8.67
6.40
35.08
15.08
8.38
II
II
A
29.61
8.67
6.40
41.53
19.23
10.02
III
III
A
23.09
8.95
7.55
35.08
15.08
8.38
I
I
B
36.59
10.66
5.90
43.37
14.36
8.91
II
II
B
16.28
8.66
21.20
10.26
60.57
67.81
III
III
B
34.45
11.41
7.08
43.37
14.36
8.91
I
I
C
24.29
8.96
5.51
35.08
15.08
8.38
II
II
C
29.61
11.27
7.04
19.97
12.45
10.01
III
III
C
23.09
9.25
6.66
35.08
15.08
8.38
Sequ, max in Position B/II/15 cm:
Sequ, max in Position B/II/15 cm:
2
353,4 μW/m
395,2 μW/m2
Tabelle 2.3: Ergebnis der Immissionsmessungen mit dem IOGEAR Wireless USB Hub
Tabelle 2.4 fasst die Ergebnisse der Messungen in Hauptstrahlrichtung des USB
Adapters zusammen.
IOGEAR Wireless USB Adapter
nicht-reflexive Umgebung
reflexive Umgebung
Sequ, avg [μW/m2]
Sequ, avg [μW/m2]
15 cm
30 cm
15 cm
30 cm
58,74
19,9
74,8
Sequ, max in 15 cm Entfernung:
364,3 μW/m2
26,3
Sequ, max in 15 cm Entfernung:
445,7 μW/m2
Tabelle 2.4: Ergebnis der Immissionsmessungen mit dem IOGEAR Wireless USB Adapter
Der Einfluss der reflexiven Ausbreitungsbedingungen auf die Immissionswerte bleibt
auch bei diesem Gerät unter den gegebenen Bedingungen auf maximal ca. ± 2,5 dB
beschränkt. Das absolute Ausmaß der Immissionswerte ist ähnlich gering wie bei Gerät
1. Der maximale Zeitmittelwert der Immissionen im Abstand von 15 cm zum Adapter
beträgt weniger 75 μW/m2. Dies entspricht ca. 0,00075% des Referenzwertes von
10 W/m2 für die Allgemeinbevölkerung gemäß ICNIRP [13] .
13
2.4.3 Gerät 3: PulsON Reference Design (Time Domain, Inc.)
Für den Zeitraum der Messungen wurde eine Datenübertragung mit 9,6 Mbit/s konstant
aufrechterhalten.
Tabelle 2.5 fasst die Messergebnisse zusammen. Angegeben sind jeweils die Werte der
mittleren äquivalenten Leistungsflussdichte Sequ,avg an den Punkten des Messrasters.
Zusätzlich wird die aus der Messung mit PEAK-Detektor und MAXHOLD abgeschätzte
maximale Feldstärkeamplitude Êmax
an der Position der maximalen mittleren
Leistungsflussdichte angegeben.
A
A
A
B
B
B
C
C
C
PulsON Reference Design
nicht-reflexive Umgebung
reflexive Umgebung
2
Sequ, avg [μW/m ]
Sequ, avg [μW/m2]
15 cm
30 cm 45 cm
15 cm 30 cm 45 cm
I
I
A
93.81
56.34
41.15
177.22 106.02
82.03
II
II
A
86.60
57.77
42.22
191.61 111.99
84.71
III
III
A
71.64
45.14
35.28
131.38
90.24
74.81
I
I
B
154.10
74.96
46.29
250.26 119.40
84.09
II
II
B
81.65
47.24
90.10
222.72
322.40 125.03
III
III
B
76.41
53.07
38.40
109.24
92.68
76.69
I
I
C
103.44
56.42
42.28
179.76 102.13
74.81
II
II
C
116.69
63.42
43.26
194.32 110.41
84.71
III
III
C
78.03
46.39
35.52
130.22
84.95
71.44
Ê max in Position B/II/15 cm:
Ê max in Position B/II/15 cm:
0,75 V/m
0,89 V/m
Tabelle 2.5: Ergebnis der Immissionsmessungen mit dem PulsON reference Design
Die reflexiven Ausbreitungsbedingungen führen in diesem Fall zu einer Erhöhung der
Immissionen um maximal ca. 3,5 dB.
Verglichen mit den Geräten 1 und 2 sind die (mittleren) Immissionen dieses Gerätes
deutlich höher. Im Vergleich zum Belkin Cable Free USB Hub beträgt der Unterschied
ca. einen Faktor 6,5 bezüglich der mittleren äquivalenten Leistungsflussdichte. Dies ist
insofern plausibel, als die Ausgangsleistung des PulsON Gerätes deutlich über jener des
Belkin Cable Free USB Hub liegt (vgl. Kapitel 2.3 in [2]).
Das absolute Ausmaß der Immissionswerte im Hinblick auf den Referenzwert für die
Allgemeinbevölkerung nach ICNIRP [13] ist aber auch hier sehr gering. Der maximale
Zeitmittelwert der Immissionen (Abstand von 15 cm) beträgt 322,4 μW/m2, was gerade
einmal ca. 0,0032% des genannten Referenzwertes für die Leistungsflussdichte
entspricht.
Da es sich bei diesem Gerät um ein „echtes“ Impuls-basiertes UWB-Gerät handelt
erscheint auch die Beurteilung der maximalen Feldstärkenamplitude interessant.
Gemäß der Referenzwertfestlegung für Allgemeinbevölkerung nach ICNIRP [13] darf der
Spitzenwert der Feldstärke nicht größer als das 32-fache des jeweils geltenden
Referenzwertes sein2. Im Frequenzbereich über 2 GHz liegt der Feldstärkegrenzwert bei
61 V/m. Demzufolge liegt die maximal zulässige Feldstärkeamplitude bei 1952 V/m. Die
Messwerte aus Tabelle 2.5 zeigen eine maximale Feldstärkeamplitude (in 15 cm
2 Gemäß dem Wortlaut in [13] gilt dies streng genommen für die über die Impulsdauer gemittelte Amplitude. Im Sinne eines
konservativen Vergleichs wird hier im Folgenden jedoch die tatsächliche Feldstärkeamplitude (Spitzenwert) beurteilt.
14
Abstand zu Gerät) von 0,89 V/m, was ca. 0,046% der maximal zulässigen
Feldstärkeamplitude entspricht. Umgelegt auf die äquivalente Leistungsflussdichte
bedeutet dies ca. 0,00002% des maximal zulässigen Wertes.
2.4.4 Gerät 4: Ubisense Serie 7000 (Ubisense AG)
Alle durchgeführten Messungen erfolgten grundsätzlich mit der zum Zeitpunkt der
Messungen maximal möglichen Update-Rate des Systems von ca. 10 Hz. Abbildung 2.8
zeigt qualitativ den Zeitverlauf des Immissionssignals, gemessen mit einem 7 GHz
Oszilloskop (Tektronix TDS7704B) und Horn-Antenne in unmittelbarer Nähe zu einem
Tag. Daraus ist erkennbar, dass das Tag 10 mal pro Sekunde HF-Pakete mit einer
Länge von ca. 2 ms absetzt. Aus dem dritten Teilbild in Abbildung 2.8 ist ersichtlich, dass
ein wesentlicher Anteil der in diesen HF-Paketen steckenden Leistung offensichtlich bei
einer Frequenz von 2,4 GHz, also dem Kommunikationskanal liegt. Die ebenfalls
abgesetzten UWB-Impulse sind diesem 2,4 GHz Signal offensichtlich überlagert und
daher in Abbildung 2.8 nicht ohne weiteres erkennbar.
1s
4 ms
25 ns
Abbildung 2.8: Qualitative Darstellung des Zeitverlauf des von den Ubisense 7000 Tags stammenden Immissionssignals,
gemessen mit Antenne und 7 GHz-Oszilloskop
Die spektrale Dominanz des Kommunikationssignals zeigt auch das Ergebnis einer
frequenzselektiven Überblicksmessung in 15 cm Abstand zu einem aktiven Tag
(Abbildung 2.9). Daraus kann die Zusammensetzung des emittierten Spektrums ersehen
werden. Neben den UWB-Emissionen im Frequenzbereich zwischen 6 und 8 GHz tritt
der (schmalbandige) Kommunikationskanal bei ca. 2,4 GHz deutlich hervor. Eine weitere
schmalbandige Komponente bei 4,8 GHz (offensichtlich eine Harmonische der 2,4 GHz
Schwingung) ist ebenfalls zu erkennen. Der in Abbildung 2.9 am linken Rand erkennbare
15
Spektralanteil bei ca. 2,1 GHz stammt von einer nahe gelegenen Basisstation des UMTS
Mobilfunknetzes (ca. 70 m Distanz).
Dass nicht nur im Kommunikationskanal, sondern auch bezüglich UWB eine UpdateRate von 10 Hz vorliegt, zeigt das in Abbildung 2.10 dargestellte Ergebnis einer Zero
Span Messung bei ca. der Mittenfrequenz des UWB-Signals (7 GHz).
Kommunikationskanal (2,4 GHz)
UWB (6-8 GHz)
Abbildung 2.9: Spektrale Zusammensetzung (qualitativ) der Emissionen des Ubisense 7000 Tags. Die ganz links sichtbare
Spektralkomponente stammt nicht vom Ubisense 7000 System, sondern von einer nahe gelegenen UMTS-Basisstation
Tag 1 (unmittelbar bei Antenne)
Tag 2 (ca. 20 cm Entfernung)
Abbildung 2.10: Zero Span Messung im UWB-Frequenzbereich des Ubisense 7000 Systems bei zwei gleichzeitig aktiven Tags,
wobei sich Tag 1 unmittelbar vor der Empfangsantenne und Tag 2 in 20 cm Entfernung zur Empfangsantenne befand. Zu
erkennen ist die Update-Rate von 10 Hz für jedes Tag.
16
Abbildung 2.11 zeigt qualitativ Detaildarstellungen des UWB-Kanals und des
Kommunikationskanals im Frequenzbereich.
Abbildung 2.11: Qualitative Detail-Darstellung des 2,4 GHz Kommunikationskanals (links) und des UWB-Kanals (rechts) des
Ubisense 7000 Systems
Die quantitative Erfassung der Maximalimmissionen erfolgte in der Art, dass zunächst
ein zufällig ausgewähltes Tag auf einem Tisch in unterschiedlichen Lagen positioniert
wurde und jeweils Messungen in 15 cm Abstand durchgeführt wurden, um die HauptAbstrahlrichtung des Tags zu identifizieren. Anschließend wurden in Hauptstrahlrichtung
die mittleren und die Maximalimmissionen, mit den in Kapitel 2.3 angegebenen
Messgeräteeinstellungen, in Abständen von 15 cm, 30 cm und 50 cm zum Tag
gemessen. Um Unterschiede zwischen einzelnen Tags abzuschätzen, wurde die
Maximalwertsuche in 15 cm Abstand auch mit zwei weiteren Tags wiederholt.
Schließlich erfolgte eine Abschätzung des Einflusses reflexiver Umgebungsbedingungen
auf die Maximalimmissionen, indem in unmittelbarer Nähe des Tags (ca. 20 cm Abstand)
Metallplatten in unterschiedlichen Anordnungen angeordnet wurden (unterhalb, links,
rechts und hinter dem Tag). In Tabelle 2.6 sind die Messergebnisse in Form der
äquivalenten Strahlungsleistungsdichten Sequ,avg und Sequ,max (jeweils in μW/m2)
zusammengefasst. Der Index „avg“ bezeichnet dabei zeitlich gemittelte Werte (zeitlich
gemittelte BandPower Funktion), der Index „max“ Maximalwerte der effektiven Leistung
im betrachteten Frequenzband (MaxHold-Werte der BandPower Funktion).
Zur Abschätzung der maximalen UWB-Impulsamplitude wurde eine zusätzliche Messung
mit PEAK-Detektor im MaxHold Modus des Spektrumanalysators durchgeführt (RBW
3 MHz, VBW 3 MHz). Nach entsprechender Bandbreitenkorrektur (-10 dB
Signalbandbreite = 1,7 GHz, vgl. Abbildung 2.11 rechts) ergab sich in 15 cm Abstand zu
Tag 1 ein Maximalwert der Impulsamplitude von ca. 0,96 V/m.
Der Einfluss reflexiver Umgebungsbedingungen auf die UWB-Immissionen war relativ
gering und lag in den untersuchten Messpositionen durchwegs bei weniger als ± 2 dB.
Insgesamt zeigen die Messergebnisse, sogar bei sehr geringen Abständen (>15 cm) zu
den UWB-Geräten erwartungsgemäß sehr geringe Immissionswerte in der
Größenordnung von maximal 10-15 μW/m2 bezüglich der äquivalenten mittleren
Strahlungsleistungsdichte der UWB-Emissionen. Dies entspricht weniger als 0,000015%
des Referenzwertes für die Allgemeinbevölkerung nach ICNIRP [13] von 10 W/m2. Wollte
man nicht ausschließlich die UWB-Immissionen beurteilen, sondern das gesamte Gerät,
so ist zum UWB-Immissionsanteil auch der Immissionsanteil des Kontrollkanals
17
hinzuzuzählen. In diesem Fall ergibt sich die maximale, in 15 cm Abstand ermittelte
Gesamtimmission (äquivalente mittlere Strahlungsleistungsdichte, Tag 3) zu ca.
0,00002% des Referenzwertes.
d=15 cm
Tag
1
Tag
2
Tag
3
Sequ, avg
[μW/m2]
Sequ, max
[μW/m2]
Sequ, avg
[μW/m2]
Sequ, max
[μW/m2]
Sequ, avg
[μW/m2]
Sequ, max
[μW/m2]
d=30 cm
d=50 cm
UWB
(6-8 GHz)
Kontrollkanal
(2,4 GHz)
UWB
(6-8 GHz)
Kontrollkanal
(2,4 GHz)
UWB
(6-8 GHz)
Kontrollkanal
(2,4 GHz)
8.89
6.24
3.8
1.78
2.17
0.51
32.56
15.75
9.9
3.3
5.7
0.83
7.66
5.13
-
-
-
-
24.64
11.64
-
-
-
-
11.13
7.98
-
-
-
-
36.52
17.07
-
-
-
-
Tabelle 2.6: Immissionen in der Nähe der untersuchten Ubisense Tags
18
3 NUMERISCHE BERECHNUNGEN DER EXPOSITION DURCH
UWB-ANWENDUNGEN
Zusätzlich zu den im vorangegangenen Kapitel beschriebenen messtechnischen
Immissionserhebungen in der Umgebung konkreter UWB Geräte, wurden auch
numerische Berechnungen der Exposition, auf Basis von Computersimulationen
durchgeführt. Einerseits sind numerische Berechnungen der einzige Weg, um einen
detaillierten Einblick in die Absorptionsverhältnisse im Gewebe bei UWB-Befeldung zu
gewinnen. Andererseits können auf Basis dieser Berechnungen auch Prognosen für die
Exposition durch UWB-Geräte (mit unterschiedlichen emittierten Signalspektren)
erfolgen, die derzeit (zumindest in Europa) noch nicht verfügbar sind.
3.1 Betrachtete Szenarien
Die Auswahl der betrachteten Szenarien erfolgte mit Schwerpunkt auf Situationen, bei
denen ein UWB Sendegerät unmittelbar am Körper getragen wird. Da gerade solche
Geräte derzeit jedoch noch kaum verfügbar sind, wurden mehrere unterschiedliche
Expositionsszenarien gewählt, wie sie aus heutiger Sicht, teilweise basierend auf
konkreten Produktankündigungen, als realistisch eingestuft werden können. Weiters
wurde bei der Auswahl der unterschiedlichen Szenarien darauf geachtet,
unterschiedliche Anwendungen zu wählen, die möglichst unterschiedliche
Körperregionen exponieren. Für die konkret gewählten, insgesamt 4 unterschiedlichen
„Nahfeld“-Szenarien sind dies der Oberschenkelbereich (Szenario 1), der
Hinterkopfbereich (Szenario 2), der Bereich eines Auges (Szenario 3), sowie der
Brustbereich über dem Herzen (Szenario 4).
Zusätzlich zu den Szenarien mit unmittelbar am Körper betriebener UWB-Quelle, wurde
auch ein Szenario mit mehreren gleichzeitig betriebenen UWB Sendegeräten betrachtet,
bei dem sich die Person im Einwirkungsbereich von 3 UWB-Quellen befindet
(Szenario 5).
Die detaillierte Beschreibung der betrachteten Szenarien erfolgt in jeweiligen Kapiteln in
Abschnitt 3.4.
3.2 Berechnungsmethode
Alle numerischen Berechnungen erfolgten unter Anwendung der FDTD-Methode in Form
der kommerziellen Simulationsplattform SEMCAD X (Version 13.2). Dieses
Softwarepaket erlaubt die Anregung mit Breitbandsignalen und die Berücksichtigung der
dispersiven Gewebeeigenschaften (vgl. Kapitel 3 in [2]). Die Berechnung der
resultierenden SA bzw. SAR aus den Zeitbereichs-Ergebnisdaten erfolgte in MATLAB
(Version 7.4), da gegenwärtig kommerziell verfügbare FDTD-Simulationsplattformen
diesbezüglich (noch) keine Möglichkeiten bieten.
3.2.1 Feldquellen-Modelle
Antennenmodell 1
Für alle betrachteten Expositionsszenarien wurde als Feldquelle ein Modell der in [14]
beschriebenen planaren UWB Antenne verwendet, die einfach als gedruckte Schaltung
19
realisierbar ist und deren -7 dB Bandbreite den Frequenzbereich von 3,0-12,3 GHz
überstreicht. Abbildung 3.1 zeigt die Geometrie der verwendeten Breitbandantenne und
Abbildung 3.2 den Frequenzgang des S11 Parameters.
Speisepunkt
25 mm
1,5 mm
Kupfer
Substrat (εr =4,7)
25 mm
Substrat (εr =4,7)
Kupfer
Abbildung 3.1: Numerisches Modell der verwendeten Breitbandantenne (Antennenmodell 1):
Vorderseite (links), Rückseite (Mitte), 3D-Ansicht (rechts)
0
|S11| [dB]
-5
-10
-15
-20
-25
1.0
3.0
5.0
7.0
9.0
11.0
13.0
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.2: |S11| der verwendeten Breitbandantenne (Antennenmodell 1)
Für Expositionssituationen im Fernfeld der Strahlungsquelle ist auch die
Abstrahlcharakteristik (Antennenpattern) relevant.
Abbildung 3.3 zeigt 3D-Darstellungen der Abstrahlcharakteristika des verwendeten
Breitband-Antennenmodells in unterschiedlichen Ansichten, jeweils am unteren
Bandende, bei der Mittenfrequenz und am oberen Bandende des betrachteten
Frequenzbereichs. Der maximale Antennengewinn über den gesamten Frequenzbereich
3,1-10,6 GHz liegt im Bereich zwischen 2,7 dBi (bei 3,1 GHz) und 5,2 dBi (bei
10,6 GHz).
20
3,1 GHz
6,85 GHz
10,6 GHz
-16,0 dB
-12,8 dB
-9,6 dB
-6,4 dB
-3,2 dB
0 dB
Abbildung 3.3: 3D-Abstrahlcharakteristika des verwendeten Breitband-Antennenmodells in unterschiedlichen Ansichten und bei
unterschiedlichen Frequenzen
Antennenmodell 2
Um den Einfluss unterschiedlicher Antennengeometrien bzw. Antennenkonzepte auf die
resultierende Absorption abschätzen zu können, wurde in einem der betrachteten
Szenarien (Szenario 4) zusätzlich zum oben beschriebenen Antennenmodell 1 noch ein
weiteres Quellenmodell betrachtet. Dieses Modell wurde in Anlehnung an die Antennen
des auch messtechnisch untersuchten Belkin Cable Free USB-Hubs modelliert.
Abbildung 3.4 zeigt die Geometrie und Abbildung 3.5 den Frequenzgang von |S11| des
Modells. Erwartungsgemäß liegt der Nutzfrequenzgang der Antenne im
Arbeitsfrequenzbereich des Belkin Cable Free USB-Hubs (3,1 - 4,8 GHz).
Abbildung 3.6 zeigt 3D-Darstellungen der im Nutzfrequenzgang sich nur wenig
ändernden Abstrahlcharakteristik des Antennenmodells 2 in unterschiedlichen Ansichten.
Der maximale Antennengewinn über den gesamten Frequenzbereich 3,1-4,8 GHz liegt
im Bereich zwischen 2,2 dBi (bei 3,1 GHz) und 3,3 dBi (bei 4,8 GHz).
21
33 mm
1,5 mm
Kupfer
Substrat (εr =4,7)
9 mm
Speisepunkt
Kupfer-Pad
(durchkontaktiert zur Rückseite)
Kupfer
Abbildung 3.4: Numerisches Modell des Antennenmodells 2:
Vorderseite (oben) und Rückseite (unten) in Draufsicht (links) und 3D-Ansicht (rechts).
0
|S11| [dB]
-3
-6
-9
-12
-15
1.0
3.0
5.0
7.0
9.0
Frequenz [GHz]
11.0
13.0
Abbildung 3.5: |S11| der Antennenmodells 2
3,95 GHz
-17,0 dB
-13,6 dB
-10,2 dB
-6,8 dB
-3,4 dB
0 dB
Abbildung 3.6: 3D-Abstrahlcharakteristik des Antennenmodells 2 bei der Mittenfrequenz in unterschiedlichen Ansichten
22
3.2.2 Berechnungsmethode für unterschiedliche spektrale Anregungen
Die unterschiedlichen zu erwartenden UWB Anwendungen werden naturgemäß
unterschiedliche Sub-Frequenzbereiche des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes
von 3,1-10,6 GHz nutzen, bzw. unterschiedliche spektrale Verteilungen (Impulsformen)
der emittierten Signale verwenden. Aus diesem Grund wurden auch die
Absorptionsverhältnisse in den unterschiedlichen Szenarien, jeweils für mehrere,
spektrale Verteilungen der Sendeleistung analysiert. Dazu wurde jedes betrachtete
Szenario zunächst mit einer entsprechend breitbandigen, den gesamten betrachteten
UWB-Frequenzbereich von 3,1-10,6 GHz abdeckende Anregung der Antenne
(Antennenmodell 1) berechnet. Dadurch konnte jeweils für jedes betrachtete Szenario
eine „vollständige Frequenzantwort“ der Absorptionsverteilung, SAR(x,y,z,f) bzw.
SA(x,y,z,f), über den gesamten interessierenden UWB-Frequenzbereich gewonnen
werden. Auf Basis dieser Absorptions-Frequenzantwort und der zugehörigen spektralen
Verteilung der abgestrahlten Sendeleistung Pt(f) war es möglich die
Absorptionsverteilung für beliebige spektrale Sendeleistungsverteilungen innerhalb von
3,1 bis 10,6 GHz zu berechnen. Dass diese Vorgehensweise bei hinreichend hoher
Frequenzauflösung ohne relevante Erhöhung der numerischen Unsicherheiten möglich
ist, wird anhand des folgenden Beispiels demonstriert. Betrachtet wird dabei das bereits
in [2] behandelte Modell eines ebenen geschichteten Gewebeblocks, der mit einer
ebenen Welle befeldet wird (Abbildung 3.7).
Haut
E
z
k
y
Fett
Muskel
3,0
9,0 mm
Knochen „inneres
Gewebe“
x
0,5
4,5 mm
„∞“
Abbildung 3.7: Schematische Darstellung des ebenen Schichtenmodells
Unter Berücksichtigung dispersiver Gewebeparameter werden zwei unterschiedliche
spektrale Verteilungen der einfallenden ebenen Welle, gemäß den in Abbildung 3.8
dargestellten
Zeitverläufen
der
elektrischen
Feldstärke
betrachtet.
Die
Breitbandanregung mit normierter Amplitude 1 erstreckt sich über den gesamten
Frequenzbereich von 3,1-10,6 GHz (Mittenfrequenz 6,85 GHz). Die Subbandanregung
mit Mittenfrequenz 3,95 GHz ist wesentlich schmalbandiger und hat eine etwas höhere
Amplitude als der Breitbandimpuls. Abbildung 3.9 zeigt die spektrale Verteilung der
Leistungsflussdichten für die beiden Anregungsfälle.
23
normierte elektrische Feldstärke [1]
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
Breitbandanregung
-1.0
Subbandanregung
-1.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Zeit [ns]
Abbildung 3.8: Zeitverläufe der beiden betrachteten Anregungen ( normierte elektrische Feldstärke)
normierte spektrale Dichte der
Leistungsflussdichte [dBmW/m 2/Hz]
20
15
Breitbandanregung
10
Subbandanregung
5
0
-5
-10
-15
-20
2
3
4
5
6
7
8
9
Frequenz [GHz]
10
11
12
Abbildung 3.9: Normierte spektrale Verteilung der Leistungsflussdichte der einfallenden ebene Welle
für das Breitbandsignal und das Subbandsignal
Gemäß der obigen Ausführungen, kann aus einer Berechnung mit der
Breitbandanregung die vollständige Frequenzantwort der Absorptionsverteilung im
Frequenzbereich 3,1-10,6 GHz ermittelt werden, die als Grundlage für die Umrechnung
(„Skalierung“) der Ergebnisse auf jede beliebige andere Anregungsform im betrachteten
Frequenzbereich dient. Abbildung 3.10 zeigt den Verlauf der Berechnungsergebnisse für
die auf den Maximalwert bei Breitbandanregung normierte Absorption entlang der xAchse (vgl. Abbildung 3.7). Dargestellt sind einerseits die aus unabhängigen FDTDBerechnungen stammenden Ergebnisse für Breitbandanregung und Subbandanregung
und andererseits das Ergebnis der Skalierung der Frequenzantwort auf die Verhältnisse
24
entsprechend der Subbandanregung auf Grundlage des Verhältnisses der spektralen
Verteilung der Anregungssignale.
Bei hinreichend hoher Frequenzauflösung (hier konkret 1 MHz) bleiben die numerischen
Unsicherheiten der Skalierungsmethode auf deutlich unter 1% beschränkt.
10
normierte Absorption [dB]
0
-10
-20
Breitbandanregung
-30
Breitbandanregung skaliert auf Subband
Subband-Anregung
-40
Fett
Muskel
Knochen
Inneres Gewebe
-50
0
Haut
5
10
15
Tiefe im Gewebe (x-Achse) [mm]
20
25
Abbildung 3.10: Vergleich von Berechnungsergebnissen für die normierten Absorption entlang der x-Achse (vgl. Abbildung 3.7).
Dargestellt sind die FDTD-Berechnungsergebnisse für Breitbandanregung und Subbandanregung, sowie das Ergebnis der
Umrechnung der Breitbandergebnisse (Frequenzantwort) auf Subbandanregung auf Grundlage des Verhältnisses der spektralen
Verteilung der Anregungssignale.
3.2.3 Konkret betrachtete spektrale Anregungsformen
Da von den zukünftigen UWB-Anwendungen zu erwarten ist, dass sie produktspezifisch
unterschiedliche Sub-Frequenzbänder im zur Verfügung stehenden UWBFrequenzbereich
benutzen
werden,
wurden
auch
für
die
numerischen
Absorptionsberechnungen mehrere unterschiedliche spektrale Anregungsformen
betrachtet. Neben Anregungsformen mit Gauß-förmigen Impulsen wurden für „worst
case“-Abschätzungen auch unterschiedliche „theoretische“ Anregungsformen mit
100%iger Ausnutzung der Spektralmaske der Funkregulierungen [4], [5] bzw. der SendeSpektralmaske des WiMedia-Standards [6], [7] berücksichtigt.
Drei unterschiedliche Gauß-Impulsanregungen mit Quellen-Leerlaufspannungen gemäß
Gleichung 3.1 wurden betrachtet.
U (t ) = U 0 * e
⎛ t −t 0 ⎞
−⎜
⎟
⎝ τ ⎠
2
* cos(2π * f c * (t − t 0 ))
(3.1)
Für die spezifische Absorptionsrate SAR im Sinne der gegenwärtigen
Sicherheitsrichtlinen zum Schutz vor HF-Strahlung ist die zeitlich gemittelte spektrale
25
Sendeleistungsdichte maßgeblich, die gemäß den Regulierungsvorgaben ([4] [5]) in den
nutzbaren Frequenzbereichen mit maximal -41,3 dBm/MHz EIRP begrenzt ist. Für
Impulsquellen bedeutet dies, dass bei größerer mittlerer Impulswiederholzeit (d.h. bei
seltener ausgesendeten Impulsen), die Impulsamplitude größer sein darf als bei kleinerer
Impulswiederholzeit (häufiger ausgesendete Impulse). Um elektromagnetische
Beeinflussungen zu verhindern, schreibt die UWB-Regulierung jedoch auch eine Grenze
für die maximale Impulsamplitude, in Form eines Maximalwertes der spektralen Dichte
der Spitzensendeleistung vor. Gemäß [4] und [5] ist diese in den nutzbaren
Frequenzbereichen mit maximal 0 dBm/50MHz EIRP begrenzt.
Unter der Annahme einer Quellen- und Lastimpedanz (Antenneneingangsimpedanz) von
jeweils 50 Ω und einem Antennengewinn von 0 dBi führen die in Tabelle 3.1
zusammengefassten
Impulsparameter
auf
regulierungskonforme
mittlere
Sendeleistungsdichten von maximal -41,3 dBm/MHz EIRP. U0 bezeichnet dabei die
Quellenleerlaufspannungs-Impulsamplitude, tr die mittlere Impulswiederholzeit, fc die
Mittenfrequenz und τ die, die Impulsbreite bestimmende Zeitkonstante der GaußImpulsform (vgl. Gleichung 3.1). Zusätzlich ist in Tabelle 3.1 jeweils die zugehörige
mittlere Gesamtleistung Ptot (Intergral über die spektrale Leistungsdichtefunktion)
angegeben, sowie die spektrale Effizienz e bezüglich einer maximalen Ausnutzung (d.h.
vollständiges „Ausfüllen“ des Bereiches unterhalb der Spektralmaske der Regulierung).
Die Wahl dieser Anregungsformen und deren Bezeichnung erfolgte im Hinblick auf
repräsentative Belegungen des Spektrums, wie sie von typischen Geräten, konform zur
FCC-Regulierung [5] bzw. zur Regulierung in Deutschland [4] , zu erwarten sind.
Bezeichnung
U 0 / tr
fc
τ
Ptot
e
[V / s ]
[GHz]
[ns]
[μW]
[%]
33658
3686
6945
6,85
4,10
7,31
0,091
0,830
0,440
323
35,3
66,5
58
34
36
1/ 2
„FCC 3,1-10,6 typisch“
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“
„Vfg 1/2008 6,0-8,5 typisch“
Tabelle 3.1: Gewählte Impulsparameter für die numerischen SAR-Berechnungen
Abbildung 3.11 und Abbildung 3.12 zeigen jeweils die Impulsformen und die spektrale
EIRP Sendeleistungsdichte der in Tabelle 3.1 definierten Anregungsformen.
Anzumerken ist, dass die Anregung „Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“ in dieser Form nach [4]
nur für Geräte mit Störminderungstechniken zulässig ist.
-30
mittlere spektrale Leistungsdichte
[dBm/MHz]
40000
30000
[V/s1/2 ]
20000
10000
0
-10000
-20000
„FCC 3,1-10,6 typisch“
-35
FCC Limit (Indoor UWB)
-40
-45
-50
-55
-60
-30000
0.0
0.5
1.0
Zeit [ns]
1.5
2
2.0
4
6
8
10
Frequenz [GHz]
Abbildung 3.11: Impulsform und mittlere spektrale EIRP Sendeleistungsdichte der Anregung „FCC 3,1-10,6 typisch“
26
12
-20
mittlere spektrale Leistungsdichte
[dBm/MHz]
8000
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“
6000
„Vfg 1/2008 6,0-8,5 typisch“
4000
[V/s 1/2]
2000
0
-2000
-4000
-6000
Limit nach Vfg 1/2008 (mit Störmind.technik)
Limit nach Vfg 1/2008 (ohne Störmind.technik)
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“
„Vfg 1/2008 6,0-8,5 typisch“
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-8000
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
2
4
Zeit [ns]
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
Abbildung 3.12: Impulsform und mittlere spektrale EIRP Sendeleistungsdichte der Anregungen „Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“
und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 typisch“
Im Gegensatz einer SAR-basierten Analyse der Exposition ist als Basis für die
Beurteilung von UWB-Immissionen hinsichtlich der spezifischen Absorption SA nicht die
zeitlich gemittelte Sendeleistung einer Impulsfolge, sondern der Energieinhalt des
Einzelimpulses relevant. Wie bereits oben erläutert, ist die im Hinblick auf die
Funkregulierung maximal zulässige Impulsamplitude durch den Maximalwert der
spektralen Dichte der Spitzensendeleistung von 0 dBm/50MHz EIRP festgelegt. Im
Hinblick auf die Emissionen von UWB-Geräten ist dabei zu beachten, dass die spektrale
Dichte der Spitzenleistung einer Impulsfolge deutlich oberhalb der Spitzenleistungsdichte
des entsprechenden Einzelimpulses liegt, da sich die Leistung im Spektrum an
„einzelnen Frequenzpunkten“ im Abstand der Impulswiederholfrequenz (=Kehrwert der
Impulswiederholzeit) konzentriert (vgl. dazu Kapitel 2.3.1 in [1]). Für streng periodische
Impulsfolgen (d.h. konstante Impulswiederholzeit) kann dies zu einem Verhältnis von
Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (Crest-Faktor) von mehreren Zehnerpotenzen
führen. Um die mit hohem Crest-Faktor verbundenen Nachteile zu verringern,
verwenden UWB-Geräte üblicherweise keine konstante Impulswiederholzeit, sondern
senden mit einer um einen bestimmten Mittelwert schwankenden Impulswiederholzeit.
Damit lassen sich Crest-Faktoren von unter 10 dB erreichen. Im Sinne einer (aus
praktischer Sicht daher mit mehreren dB Sicherheitsabstand behafteten) worst case
Abschätzung der maximalen von einem UWB-Gerät verursachten SA kann somit von
einem Einzelimpuls ausgegangen werden, dessen Spitzensendeleistungsdichte gerade
noch unterhalb von 0 dBm/50 MHz liegt. Für die oben definierten Impulsformen führen
die in Tabelle 3.2 angeführten Quellenleerlaufspannungs-Impulsamplituden U0 auf diese
maximal zulässige spektrale EIRP-Spitzensendeleistungsdichte von 0 dBm/50MHz. Dies
gilt in einem 50 Ω System, wieder unter der Annahme von 0 dBi Antennengewinn und
100% Antenneneffizienz (keine Verluste in der Antenne). Weiters gibt Tabelle 3.2
jeweils den Gesamtenergieinhalt Etot (Integral über das Energiedichtespektrum) dieser
Einzelimpulse an.
Bezeichnung
U0
[V]
55,5
7,9
12,7
„FCC 3,1-10,6 typisch“
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 typisch“
„Vfg 1/2008 6,0-8,5 typisch“
Etot
[J]
8,79*10-10
1,62*10-10
2,22*10-10
Tabelle 3.2: Maximal zulässige Leerlauf-Quellenspannungs-Impulsamplituden (in einem 50 Ω System) der in Tabelle 3.1
definierten Impulsformen, die auf maximale spektrale EIRP-Spitzensendeleistungsdichten eines Einzelimpulses von
0 dBm/50MHz führen.
27
Die in Kapitel 3.4 zusammengefassten Ergebnisse hinsichtlich der maximal von
regulierungskonformen UWB-Geräten verursachten SA im Körper beruhen auf
Berechnungen mit den in Tabelle 3.2 definierten Leerlauf-QuellenspannungsImpulsamplituden.
Zusätzlich zu den Berechnungen basierend auf den oben beschriebenen
Anregungsformen wurden SAR und SA Berechnungen für idealisierte Sendeleistungsdichtespektren mit maximaler spektraler Effizienz, d.h. bei kompletter Ausfüllung der
Spektralmaske bzw. eines Subbereiches einer Spektralmaske durchgeführt. Tabelle 3.3
zeigt eine Zusammenfassung dieser Spektren und gibt auch den Wert der jeweils damit
theoretisch möglichen Gesamtsendeleistung Ptot (Intergral über die spektrale
Leistungsdichtefunktion) an. Zur Abschätzung der Größenordnung der maximalen
Impulsenergie Etot wurde auf Basis der spektralen Effizienz der Impulsanregungen
(vgl.Tabelle 3.1 und Tabelle 3.2 ) auf maximale Effizienz (e=100%) hochgerechnet.
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz max.“
„FCC 3,1-10,6 GHz max.“
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
Etot [μW]
289
1,10*10-9
185
6,17*10-10
104
4,76*10-10
556
1,52*10-9
-40
-50
-60
-70
-80
-90
2
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
„Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz max.“
Ptot [μW]
-30
-30
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
„Vfg 1/2008 3,4-8,5 GHz max.“
mittlere spektrale Sendeleistungsdichte
-30
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
Bezeichnung
-30
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-40
-50
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-40
-50
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-40
-50
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
Tabelle 3.3:Theoretisch maximal mögliche mittlere Sendeleistungsdichtespektren von regulierungskonformen UWB-Geräten, wie
sie für die Absorptionsberechnungen verwendet wurden.
28
„WiMedia_BandNr. 8“
„WiMedia_BandNr. 9“
„WiMedia_BandNr. 10“
39
-60
-70
-80
-90
2
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
-50
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
„WiMedia_BandNr. 7“
-40
-30
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
„WiMedia_BandNr. 3“
Ptot [μW]
-30
-30
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
„WiMedia_BandNr. 2“
mittlere spektrale Sendeleistungsdichte
mittlere spektrale EIRP-Sendeleistungsdichte
[dBm/MHz]
Bezeichnung
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-40
-50
39
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-40
-50
39
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-30
-40
-50
39
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-30
-40
-50
39
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
-30
-40
-50
39
-60
-70
-80
-90
2
4
6
8
Frequenz [GHz]
10
12
Tabelle 3.4: Theoretisch maximal mögliche Sendeleistungsdichtespektren von UWB-Geräten nach WiMedia Standard [6],[7] wie
sie für die Absorptionsberechnungen verwendet wurden.
29
Tabelle 3.4 fasst schließlich in ähnlicher Weise die für die Absorptionsberechnungen
betrachtete Spektren von MB-OFDM-UWB-Geräten nach WiMedia-Standard [6],[7]
zusammen. In diesem Fall wurde die im WiMedia-Standard definierte
Sendespektralmaske mit einem Maximalwert von -41,3 dBm/MHz EIRP als
Anregungsspektrum verwendet. Pro Frequenzband beträgt die maximale
Gesamtsendeleistung ca. 39 μW EIRP.
3.3 Dielektrische Gewebeparameter
Für die numerischen Berechnungen wurde ein aus dem Datensatz des Visible Human
Project gewonnenes anatomisches Körpermodell, mit insgesamt mehr als 100
unterscheidbaren Gewebebereichen verwendet. Zur dielektrischen Beschreibung dieser
Gewebebereiche stehen in der Literatur 38 unterschiedliche GewebeparameterDatensätze, basierend auf der Arbeit von Gabriel et al. [15] zur Verfügung.
Aorta, Blood vessel
Bladder
Blood
Body fluid, vitreous humor
Bone cancellous
Bone marrow
Bonecortical, Nail, Tooth
Brain grey matter
Brain white matter
Breast fat
Cartilage
Cerebellum
Cerebo spinal fluid
Colon
Cornea
Duodenum, Oesophagus,
Stomach
Dura
Sclera, Retina
Fat
Gall bladder
Gall bladder bile
Gland, Lymph, Thymus,
Thyroid
Heart
Kidney
Lens
Liver
Lung inflated
Mucous membrane
Muscle
Nerve, Spinal cord
Pancreas
Prostate, Testis
Skin dry
Small intestine
Spleen
Tendon
Tongue
Trachea
εs
[1]
ε∞
[1]
σ0
[S/m]
A1
[1]
τ1
[s]
A2
[1]
τ2
[s]
A3
[1]
τ3
[s]
A4
[1]
τ4
[s]
44.71
17.79
61.26
69.02
20.72
5.52
12.44
52.45
38.71
5.46
42.19
48.57
68.63
52.09
55.02
9.30
4.81
11.87
4.00
5.86
3.18
4.17
11.62
9.57
2.68
9.11
11.68
12.61
12.14
11.94
0.636
0.362
1.477
1.512
0.320
0.038
0.127
0.894
0.562
0.039
0.727
1.254
2.371
1.049
1.361
0.968
1.053
0.966
1.000
0.917
0.945
0.934
0.945
0.946
0.954
0.950
0.933
0.975
1.075
0.950
1.06E-11
1.08E-11
1.02E-11
7.15E-12
1.58E-11
1.09E-11
1.56E-11
1.05E-11
1.05E-11
1.79E-11
1.48E-11
1.08E-11
9.14E-12
1.02E-11
1.02E-11
0.880
-1.086
12.005
0.880
0.527
10.561
0.880
0.464
9.291
0.408
8.174
0.359
7.191
-719.140
0.278
0.987
0.800
30.857
0.987
0.939
30.469
0.987
0.927
30.086
0.915
29.707
0.904
29.334
0.293
0.881
0.880
-1.086
14.347
0.880
0.527
12.622
0.880
0.464
11.104
0.408
9.769
0.359
8.595
-859.460
0.278
0.987
0.800
44.423
0.987
0.939
43.864
0.987
0.927
43.312
0.915
42.767
0.904
42.229
0.422
0.881
0.880
-1.086
3.338
0.880
0.527
2.937
0.880
0.464
2.584
0.408
2.273
0.359
2.000
-199.960
0.278
0.987
0.800
51.392
0.987
0.939
50.745
0.987
0.927
50.107
0.915
49.476
0.904
48.854
0.489
0.881
64.99
12.54
1.113
0.971
9.76E-12
0.774
0.975
0.774
0.975
0.774
0.975
44.34
55.18
1.61
58.57
70.18
11.71
11.36
3.22
8.34
9.13
0.933
1.131
0.048
1.159
1.747
0.957
0.966
-1.332
1.002
0.987
1.05E-11
9.52E-12
1.16E-11
8.19E-12
8.21E-12
-773.270
0.774
8.064
-831.470
7.094
0.290
0.975
44.618
0.286
44.057
-924.150
0.774
-19.250
-993.710
-20.699
0.417
0.975
54.436
0.412
53.751
-215.010
0.774
-17.893
-231.190
-19.240
0.482
0.975
17.405
0.476
17.186
59.64
11.75
0.991
0.974
9.35E-12
0.681
0.963
0.681
0.963
0.681
0.963
59.50
58.17
46.53
46.58
21.89
45.86
54.95
32.36
59.64
59.86
41.05
59.08
56.81
45.89
55.18
41.91
13.11
13.31
9.95
10.27
5.59
10.65
11.85
8.60
11.75
11.70
7.52
13.01
12.72
7.99
11.35
8.33
1.206
1.389
0.757
0.812
0.446
0.808
0.908
0.553
0.991
1.177
0.834
2.160
1.249
0.623
0.895
0.743
0.932
0.914
0.973
0.940
0.944
0.947
0.972
0.942
0.974
0.975
0.936
0.929
0.934
0.972
0.968
0.962
1.07E-11
1.10E-11
9.37E-12
1.14E-11
1.03E-11
1.05E-11
8.82E-12
1.05E-11
9.35E-12
9.34E-12
9.06E-12
1.05E-11
1.06E-11
1.34E-11
9.52E-12
9.69E-12
-894.060
-961.350
0.880
-35.212
0.774
-37.862
0.774
0.681
-40.712
0.599
0.681
-43.776
0.599
0.527
-47.071
0.464
0.282
0.279
0.987
42.186
0.975
41.655
0.975
0.963
41.131
0.951
0.963
40.614
0.951
0.939
40.103
0.927
-1068.500
-1148.900
0.880
84.020
0.774
73.918
0.774
0.681
65.031
0.599
0.681
57.212
0.599
0.527
50.333
0.464
0.407
0.401
0.987
-0.005
0.975
-0.005
0.975
0.963
-0.006
0.951
0.963
-0.006
0.951
0.939
-0.007
0.927
-248.590
-267.300
0.880
76.625
0.774
67.412
0.774
0.681
59.306
0.599
0.681
52.176
0.599
0.527
45.902
0.464
0.470
0.464
0.987
-0.004
0.975
-0.005
0.975
0.963
-0.005
0.951
0.963
-0.006
0.951
0.939
-0.006
0.927
Tabelle 3.5: Debye-Parameter für die Gewebe des verwendeten anatomischen Körpermodells.
30
Für diese Gewebeparameterdatensätze wurde ein 4-Pol Debye Modell zur Modellierung
der dispersiven Gewebeeigenschaften verwendet. Mit den in Tabelle 3.5
zusammengefassten Dispersionsparametern lagen die Abweichungen von den
Zielwerten nach Gabriel [15] innerhalb des interessierenden Frequenzbereichen von 3,110,6 GHz bei weniger als ± 5%.
3.4 Berechnungsergebnisse
In den folgenden Abschnitten werden die Ergebnisse der numerischen Berechnungen für
die einzelnen betrachteten Szenarien in Form der maximalen, jeweils über 10g
würfelförmiges Gewebe gemittelten Werte der spezifischen Absorptionsrate (SAR10g)
und der spezifischen Absorption SA10g zusammengefasst. Der Algorithmus zur SAR10g
bzw. zur SA10g Maximalwertsuche entspricht jenem in IEEE-1529 [16] beschriebenen.
3.4.1 Szenario 1: Notebook mit UWB-Sendemodul auf Oberschenkel
Dieses Szenario wurde repräsentativ für die Situation eines Notebook-Benützers mit
einem externen UWB-Funkmodul, z.B. in Form eines USB-Sticks, ausgewählt. Abbildung
3.13 zeigt das Modell. Die kürzeste Distanz zwischen Antenne und Körperoberfläche
beträgt ca. 8 mm. Als maximale FDTD-Gitterschrittweite im Gewebe wurde zur Erfüllung
des λ/10-Kriteriums 0,4 mm gewählt. Für die Berechnungen wurde das breitbandige
Antennenmodell 1 verwendet. Die Anregung der Antenne erfolgte gemäß Kapitel 3.2.3.
Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden unter der Annahme der
Ausschöpfung der Sendeleistungslimits der Regulierungen [4] und [5], bei
Berücksichtigung eines mittleren Antennengewinns von 3 dBi berechnet. Dieser Wert für
den Antennengewinn liegt zwar etwas unterhalb des tatsächlichen Mittelwertes des für
das verwendete Antennenmodell ermittelten Gewinns (2,7-5,2 dBi), wurde aber bewusst
niedrig im Hinblick auf konservative Berechnungsergebnisse gewählt.
Abbildung 3.13: SEMCAD X Modell des Szenarios 1: Notebook mit externem UWB-Funkmodul auf Oberschenkel
Abbildung 3.14 und Abbildung 3.15 zeigen die Berechnungsergebnisse in Form der
maximalen über 10g Gewebe gemittelten Werte der SAR und der SA für die
unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen. Da WiMedia-Signalisierung
definitionsgemäß nur zu HF-Abstrahlung in Form von MB-OFDM-Bursts (mit Burstlängen
im Mikrosekundenbereich) führt, wurden dafür keine Berechnungen der SA angestellt.
31
0.025
0.0219
SAR10g,max [W/kg]
0.020
0.015
0.0130
0.0130
0.010
0.0083
0.0048
0.005
0.0034
0.0022
0.0019
0.0017
0.0022
0.0019
0.0021
0.0017
z
,8
C
FC
Vf
g
Vf
g
3,
44
5
6,
08,
G
H
5
3,
48,
Vf
g
.
G
H
3,
z
1m
10
ax
,6
.
G
W
H
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z
m
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Ba
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n
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2
B
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3
B
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7
Ba
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ia
8
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ia
9
Ba
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r.
10
m
ax
.
m
ax
G
H
z
G
H
z
ty
p.
ty
p.
08,
5
6,
Vf
g
FC
C
Vf
g
3,
3,
11
44,
8
0,
6
G
G
H
z
H
z
ty
p.
0.000
Abbildung 3.14: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 1 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
7.E-08
6.00E-08
6.E-08
4.95E-08
SA10g,max [J/kg]
5.E-08
4.E-08
3.07E-08
2.78E-08
3.E-08
2.18E-08
2.E-08
8.01E-09
1.E-08
3.98E-09
ax
.
.
m
ax
H
z
z
,6
G
G
H
10
,8
FC
C
3,
1-
3,
44
g
Vf
6,
0g
Vf
g
Vf
m
m
ax
z
H
G
5
8,
5
8,
3,
4-
06,
g
Vf
.
.
z
H
G
G
8,
5
G
4,
8
4g
Vf
3,
m
ax
p.
H
z
ty
H
z
z
G
H
6
10
,
13,
C
FC
ty
p.
ty
p.
0.E+00
Abbildung 3.15: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SA in Szenario 1 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
Die Berechnungsergebnisse zeigen erwartungsgemäß sehr geringe SAR10g und SA10g
Werte. Speziell für die zu VfG 1/2008 [4] konformen Anregungsformen ergeben sich
selbst bei Annahme von 100% spektraler Effizienz maximale SAR10g Werte von deutlich
weniger als 0,5% des Basiswertes nach ICNIRP [13] von 4 W/kg (Allgemeinbevölkerung,
32
Gliedmaßen). Das Verhältnis der maximalen SA10g zum entsprechenden Basiswert nach
ICNIRP (streng genommen nur für Exposition des Kopfes definiert) beträgt sogar
weniger als 0,0025%.
Abbildung 3.16 zeigt graphisch die SAR-Verteilung (räumlich ungemittelt) in einem
Querschnitt durch den Oberschenkel auf Höhe der Antenne für die beiden
Anregungsfälle „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“.
10-2
Antenne
SAR
[W/kg]
Antenne
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
Abbildung 3.16: SAR-Verteilung in einem Querschnitt des Oberschenkels unterhalb der Antenne für die Anregungsformen
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ (links) und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“ (rechts)
3.4.2 Szenario 2: UWB-Funkmodul am Hinterkopf für EEG-Übertragung
Dieses Szenario stellt eine in naher Zukunft absehbare UWB-Anwendung dar.
Prototypen drahtloser EEG-Systeme sind von einigen Firmen bereits verfügbar bzw.
angekündigt (siehe z.B. [17], [18]). Zuweilen werden bei diesen Systemen herkömmliche
Funktechnologien (zumeist im Frequenzbereich um 2,45 GHz, z.B. Bluetooth)
verwendet. Aufgrund der größeren Datenbandbreite (z.B. erforderlich bei entsprechend
großer Anzahl an Ableitungen) und des zu erwartenden geringeren elektromagnetischen
Störpotenzials der UWB-Technologie, ist der Vorstoß der UWB-Technik auch in dieses
Segment als wahrscheinlich einzustufen. Der Patient trägt dabei ein Headset, das für
die Fixierung der EEG-Elektroden am Kopf sorgt (ähnlich den auch heute verwendeten
EEG-Elektrodenhauben). Die Elektrodenleitungen werden zu einer z.B. im
Hinterkopfbereich am Headset befestigten Elektronik geführt in der einerseits die
Vorverstärkung der EEG-Signale erfolgt und andererseits auch das UWB-Funkmodul
untergebracht ist. Abbildung 3.17 zeigt das in SEMCAD X erstellte Modell einer
derartigen Anwendung unter Verwendung des breitbandigen Antennenmodells 1.
Zusätzlich zur Antenne, wurden auch zwei ideal elektrisch leitende EEG-Elektroden nahe
dem Funkmodul modelliert. Der ebenfalls in Abbildung 3.17, links erkennbare
Befestigungsgurt für die EEG-Elektroden (zwischen Antenne und Kopf) wurde als
verlustloser Kunststoffteil (εr=3) definiert. Die kürzeste Distanz zwischen Antenne und
Körperoberfläche beträgt ca. 11 mm. Als maximale FDTD-Gitterschrittweite im Gewebe
wurde zur Erfüllung des λ/10-Kriteriums 0,4 mm gewählt. Die Anregung der Antenne
33
erfolgte wieder gemäß Kapitel 3.2.3. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden
unter der Annahme der Ausschöpfung der Sendeleistungslimits der Regulierungen [4]
und [5], bei Berücksichtigung eines mittleren Antennengewinns von 3 dBi berechnet.
Dieser Wert für den Antennengewinn liegt zwar etwas unterhalb des Mittelwertes des
tatsächlichen für das verwendete Antennenmodell ermittelten Gewinns (2,7-5,2 dBi),
wurde aber bewusst niedrig im Hinblick auf konservative Berechnungsergebnisse
gewählt.
Abbildung 3.17: SEMCAD X Modell des Szenarios 2: EEG-System mit UWB-Funkmodul im Hinterkopfbereich
Abbildung 3.18 und Abbildung 3.19 zeigen die Berechnungsergebnisse in Form der
maximalen über 10g Gewebe gemittelten Werte der SAR und der SA für die
unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen. Da WiMedia-Signalisierung
definitionsgemäß nur zu HF-Abstrahlung in Form von MB-OFDM-Bursts (mit Burstlängen
im Mikrosekundenbereich) führt, wurden dafür keine Berechnungen der SA angestellt.
1.8E-03
1.5E-03
1.6E-03
SAR10g,max [W/kg]
1.4E-03
1.2E-03
1.0E-03
8.0E-04
8.4E-04
7.9E-04
5.1E-04
6.0E-04
4.1E-04
4.0E-04
2.0E-04
1.9E-04
1.6E-04 1.7E-04
2.3E-04
1.0E-04 1.1E-04 1.0E-04 8.2E-05
FC
C
3,
110
,6
Vf
G
g
H
3,
z
4ty
4,
p.
8
Vf
G
g
H
6,
z
0ty
8,
p.
Vf
5
g
G
3,
H
4z
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8,
p.
Vf
5
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6,
z
0m
8,
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5
Vf
.
G
g
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3,
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4m
FC
4,
ax
8
C
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G
3,
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1z
m
10
ax
,6
.
G
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B
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2
Ba
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3
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7
B
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r.
ia
8
W
Ba
iM
nd
ed
N
ia
r.
9
Ba
nd
N
r.
10
0.0E+00
Abbildung 3.18: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 2 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
34
Die Berechnungsergebnisse zeigen wieder sehr geringe SAR10g und SA10g Werte.
Speziell für die zu VfG 1/2008 [4] konformen Anregungsformen ergeben sich selbst bei
Annahme von 100% spektraler Effizienz maximale SAR10g Werte von deutlich weniger
als 0,05% des Basiswertes nach ICNIRP [13] von 2 W/kg (Allgemeinbevölkerung, Kopf).
Das Verhältnis der maximalen SA10g zum entsprechenden Basiswert nach ICNIRP
beträgt sogar weniger als 0,0002%.
4.5E-09
4.20E-09
4.0E-09
SA10g,max [J/kg]
3.5E-09
3.19E-09
3.0E-09
2.36E-09
2.5E-09
1.87E-09
2.0E-09
1.38E-09
1.5E-09
1.0E-09
3.94E-10
3.87E-10
5.0E-10
.
m
ax
G
H
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3,
C
FC
Vf
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3,
4
-4
,8
110
,6
G
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5
6,
08,
Vf
g
3,
48,
g
Vf
ax
.
m
ax
.
H
z
H
G
5
5
8,
06,
g
Vf
z
m
ax
.
ty
p.
H
z
G
H
z
G
44,
8
3,
g
Vf
FC
C
3,
110
,6
G
H
z
ty
ty
p.
p.
0.0E+00
Abbildung 3.19: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SA in Szenario 2 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
Abbildung 3.20 zeigt graphisch die SAR-Verteilung (ungemittelt) in einem
Horizontalschnitt durch den Kopf auf Höhe der Antennenmitte für die beiden
Anregungsfälle „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“.
10-3
Antenne
SAR
10-4 [W/kg]
Antenne
10-5
10-6
10-7
10-8
Abbildung 3.20: SAR-Verteilung in einem Horizontalschnitt durch den Kopf auf Höhe der Antennenmitte für die Anregungsformen
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ (links) und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“ (rechts)
35
3.4.3 Szenario 3: UWB-Funkmodul in Augennähe (Videobrille)
Bei diesem Szenario wurde versucht eine in Zukunft denkbare Situation mit UWBExposition des Auges nachzustellen. So genannte „Videobrillen“ projizieren Bilder oder
Videos direkt auf die Brillengläser (siehe z.B. [19]). Damit ist es möglich den Träger der
Brille mit für ihn relevanten Informationen zu versorgen. Im militärischen Bereich (z.B. bei
Piloten) sind solche Systeme (allerdings noch drahtgebunden) bereits heute in
Verwendung. In Zukunft könnten solche Systeme mittels UWB auch drahtlos realisiert
werden. Auch im Bereich der Unterhaltungselektronik (Video-Spiele, Cyber Games) und
in allen Bereichen, in denen 3D Animationen realisiert werden müssen, sind ähnliche
Szenarien denkbar.
Abbildung 3.21 zeigt das in SEMCAD X erstellte Modell einer derartigen Anwendung
unter Verwendung des breitbandigen Antennenmodells 1. Die Antenne wurde im Bereich
des Brillenbügels seitlich neben dem linken Auge positioniert. Das Brillengestell wurde
als elektrisch ideal leitend definiert. Die kürzeste Distanz zwischen Antenne und
Körperoberfläche beträgt ca. 8 mm. Als maximale FDTD-Gitterschrittweite im Gewebe
wurde zur Erfüllung des λ/10-Kriteriums 0,4 mm gewählt. Die Anregung der Antenne
erfolgte wieder gemäß Kapitel 3.2.3. Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden
unter der Annahme der Ausschöpfung der Sendeleistungslimits der Regulierungen [4]
und [5], bei Berücksichtigung eines mittleren Antennengewinns von 3 dBi berechnet.
Dieser Wert für den Antennengewinn liegt zwar etwas unterhalb des Mittelwertes des
tatsächlichen für das verwendete Antennenmodell ermittelten Gewinns (2,7-5,2 dBi),
wurde aber bewusst niedrig im Hinblick auf konservative Berechnungsergebnisse
gewählt.
Abbildung 3.21: SEMCAD X Modell des Szenarios 3: Videobrille mit UWB-Funkmodul
36
Abbildung 3.22 und Abbildung 3.23 zeigen die Berechnungsergebnisse in Form der
maximalen über 10g Gewebe gemittelten Werte der SAR und der SA für die
unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen. Da WiMedia-Signalisierung
definitionsgemäß nur zu HF-Abstrahlung in Form von MB-OFDM-Bursts (mit Burstlängen
im Mikrosekundenbereich) führt, wurden dafür keine Berechnungen der SA angestellt.
0.006
0.00477
SAR10g,max [W/kg]
0.005
0.004
0.003
0.00241
0.00193
0.002
0.00127
0.001
0.00067
0.00024
0.00040
0.00028 0.00031 0.00031 0.00026 0.00027 0.00034
FC
C
3,
110
,6
Vf
G
g
H
3,
z
4ty
4,
p.
8
Vf
G
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6,
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8,
p.
Vf
5
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G
3,
H
4z
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8,
p.
Vf
5
G
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6,
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8,
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5
Vf
.
G
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3,
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4m
FC
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C
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3,
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1z
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10
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,6
.
G
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7
Ba
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ia
8
W
Ba
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n
dN
ed
ia
r.
9
Ba
nd
N
r.
10
0.000
Abbildung 3.22: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 3 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
1.4E-08
1.30E-08
1.2E-08
SA10g,max [J/kg]
1.0E-08
7.33E-09
8.0E-09
5.71E-09
6.0E-09
4.22E-09
4.0E-09
3.05E-09
2.0E-09
9.54E-10
5.62E-10
m
ax
.
G
H
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3,
110
,6
G
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C
FC
Vf
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3,
44,
8
G
H
6,
08,
5
Vf
g
3,
48,
5
G
H
z
z
m
ax
.
m
ax
.
ty
p.
Vf
g
Vf
g
6,
08,
5
G
H
z
G
H
z
3,
44,
8
Vf
g
FC
C
3,
110
,6
G
H
z
ty
p.
ty
p.
0.0E+00
Abbildung 3.23: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SA in Szenario 3 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
37
Die Berechnungsergebnisse zeigen wieder sehr geringe SAR10g und SA10g Werte.
Speziell für die zu VfG 1/2008 [4] konformen Anregungsformen ergeben sich selbst bei
Annahme von 100% spektraler Effizienz maximale SAR10g Werte von deutlich weniger
als 0,1% des Basiswertes nach ICNIRP [13] von 2 W/kg (Allgemeinbevölkerung, Kopf).
Das Verhältnis der maximalen SA10g zum entsprechenden Basiswert nach ICNIRP
beträgt sogar weniger als 0,0004%.
Abbildung 3.24 zeigt graphisch die SAR-Verteilung (räumlich ungemittelt) in einem
Horizontalschnitt durch den Kopf auf Höhe der Antennenmitte für die beiden
Anregungsfälle „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“.
10-3 SAR
Antenne
10-4
[W/kg]
Antenne
10-5
10-6
10-7
10-8
Abbildung 3.24: SAR-Verteilung in einem Horizontalschnitt durch den Kopf im Bereich des linken Auges auf Höhe der
Antennenmitte für die Anregungsformen „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ (links) und „Vfg 1/2008 6,0-8,5 GHz, typ.“ (rechts)
3.4.4 Szenario 4: UWB-Funkmodul am Brustkorb (z.B. EKG-Übertragung)
Bei diesem Szenario wurde von einer UWB-basierten Funkübertragung von
physiologischen Daten, wie z.B. EKG ausgegangen. EKG-Ableitung während
körperlicher Aktivität (Belastungs-EKG) gehört zu medizinischen Standarduntersuchungen. Durch kabellose Übertragung der Daten ergäbe sich größere
Bewegungsfreiheit des Patienten, was eventuell von Vorteil sein könnte (z.B. in der
Sportmedizin). Natürlich kann dieses Szenario auch repräsentativ für alle anderen
Anwendungen mit UWB-Sendern im Brustbereich gesehen werden (z.B. beliebige
WBAN3-Anwendungen).
Abbildung 3.25 zeigt das in SEMCAD X erstellte Modell dieses Szenarios, wobei hier 2
unterschiedliche Varianten unter Verwendung beider Antennenmodelle aus Kapitel 3.2.1
untersucht wurden.
Die mittlere Distanz zwischen Antenne und Körperoberfläche beträgt für beide
Antennenmodelle ca. 8 mm. Als maximale FDTD-Gitterschrittweite im Gewebe wurde zur
Erfüllung des λ/10-Kriteriums 0,4 mm gewählt. Die Anregung der Antenne erfolgte wieder
gemäß Kapitel 3.2.3, wobei bei den Berechnungen mit Antennenmodell 2 naturgemäß
nur spektrale Anregungen im Frequenzbereich zwischen 3,1 GHz und 4,8 GHz
betrachtet wurden.
3
WBAN… Wireless Body Area Networks
38
Zusätzlich zur Antenne und einem als verlustlos (εr=3) angenommenen
Kunststoffgehäuse wurden auch drei EKG-Elektrodenleitungen (ideal leitend) modelliert.
Abbildung 3.25: SEMCAD X Modell des Szenarios 4: UWB-Funkmodul im Brustbereich, oben: Variante mit breitbandigem
Antennenmodell 1, unten: Variante mit Antennenmodell 2
Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden unter der Annahme der
Ausschöpfung der Sendeleistungslimits der Regulierungen [4] und [5], bei
Berücksichtigung eines mittleren Antennengewinns von 3 dBi (Antennenmodell 1) bzw.
2,5 dBi (Antennenmodell 2) berechnet. Diese Werte für den Antennengewinn liegen
etwas unterhalb der Mittelwerte der tatsächlichen für die verwendeten Antennenmodelle
ermittelten mittleren Gewinns (2,7-5,2 dBi für Antennenmodell 1 bzw. 2,2-3,3 dBi für
Antennenmodell 2), wurden aber bewusst niedrig im Hinblick auf konservative
Berechnungsergebnisse gewählt.
Abbildung 3.26 und Abbildung 3.27 zeigen zunächst die Ergebnisse der Berechnungen
mit Antennenmodell 1 in Form der maximalen über 10g Gewebe gemittelten Werte der
SAR und der SA für die unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen.
Abbildung 3.28 zeigt im Vergleich dazu die Berechnungsergebnisse für die maximale
über 10g Gewebe gemittelte SAR bei Verwendung des Antennenmodells 2 für die
unterschiedlichen im Nutzfrequenzbereich der Antenne liegenden Anregungsformen.
Da WiMedia-Signalisierung definitionsgemäß nur zu HF-Abstrahlung in Form von MBOFDM-Bursts (mit Burstlängen im Mikrosekundenbereich) führt, wurden dafür keine
Berechnungen der SA angestellt.
39
0.0050
0.00441
0.0045
0.0040
SAR10g,max [W/kg]
0.0035
0.0030
0.00230
0.0025
0.00220
0.0020
0.00155
0.0015
0.00088
0.0010
0.00052
0.0005
0.00066 0.00054
0.00028
0.00023 0.00019 0.00018 0.00020
10
9
N
r.
ia
ia
ed
ed
FC
W
iM
W
iM
Ba
Ba
nd
nd
N
r.
N
r.
nd
Ba
ia
ed
W
iM
ed
W
iM
ed
W
iM
8
7
N
r.
3
Ba
ia
Ba
ia
Ba
ia
ed
nd
N
r.
nd
N
r.
nd
m
G
W
iM
3,
C
2
ax
.
.
H
z
m
0,
6
11
43,
g
Vf
g
Vf
H
z
G
4,
8
,5
08
6,
48
3,
g
Vf
ax
.
m
ax
.
z
G
H
G
,5
5
-8
,
6,
0
g
Vf
H
z
H
z
G
G
8
-4
,
3,
4
g
Vf
m
ax
ty
ty
H
z
z
H
G
,6
10
13,
C
FC
p.
p.
ty
p.
0.0000
Abbildung 3.26: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 4 bei Verwendung des breitbandigen
Antennenmodells 1 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
1.4E-08
1.21E-08
1.2E-08
SA10g,max [J/kg]
1.0E-08
8.74E-09
8.0E-09
7.07E-09
6.0E-09
4.0E-09
2.92E-09
1.78E-09
2.0E-09
2.29E-10
4.23E-10
ax
.
m
H
z
m
z
10
,6
G
G
H
,8
1-
44
FC
C
3,
3,
g
Vf
6,
0g
Vf
g
Vf
ax
.
.
z
H
G
5
8,
5
8,
3,
4-
06,
Vf
g
m
ax
.
z
H
G
G
8,
5
G
4,
8
43,
Vf
g
m
ax
p.
H
z
ty
H
z
z
G
H
6
-1
0,
3,
1
C
FC
ty
p.
ty
p.
0.0E+00
Abbildung 3.27: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SA in Szenario 4 bei Verwendung des breitbandigen
Antennenmodells 1 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
40
0.0035
0.0031
0.0030
SAR10g,max [W/kg]
0.0025
0.0020
0.0013
0.0015
0.0012
0.0010
0.0005
0.0000
Vfg 3,4-4,8 GHz max.
WiMedia BandNr. 2
WiMedia BandNr. 3
Abbildung 3.28: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 4 bei Verwendung des Antennenmodells 2 für die
unterschiedlichen betrachteten spektralen Anregungsformen im Nutzfrequenzbereich des Antennenmodells (vgl. Kapitel 3.2.3)
Die maximale über 10g Gewebe gemittelte SA bei Verwendung von Antennenmodell 2
und Anregung „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz max.“ beträgt 1,44*10-8 J/kg.
Die Berechnungsergebnisse zeigen wieder sehr geringe SAR10g und SA10g Werte.
Speziell für die zu VfG 1/2008 [4] konformen Anregungsformen ergeben sich selbst bei
Annahme von 100% spektraler Effizienz maximale SAR10g Werte von weniger als 0,12%
des Basiswertes nach ICNIRP [13] von 2 W/kg (Allgemeinbevölkerung, Kopf und
Rumpf). Das Verhältnis der maximalen SA10g zum entsprechenden Basiswert nach
ICNIRP beträgt sogar weniger als 0,00045%.
Der Vergleich der beiden unterschiedlichen Antennenformen anhand der
Anregungsformen „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz max.“, „WiMedia Band Nr. 2“ und „WiMedia
Band Nr. 3“ zeigt geringfügige Abweichungen bezüglich der maximalen über 10g
Gewebe gemittelten SAR im Bereich von 1,3 – 3,5 dB, wobei das Antennenmodell 2
unter den getroffenen Annahmen zu höheren SAR-Werten führt.
Abbildung 3.29 zeigt einen Vergleich der SAR-Verteilungen (räumlich ungemittelt),
verursacht durch die beiden Antennentypen in einem Horizontalschnitt durch den
Brustkorb auf Höhe der Antennenmitte für den Anregungsfall „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz,
max.“. Der dabei zutage tretende, augenscheinlich große Unterschied in der SARVerteilung ist insofern zu relativieren, als es sich bei den in Abbildung 3.29 dargestellten
Schnittbildern um die (anatomisch) gleiche Schnittebene handelt. Im Bereich dieser
Ebene führt Antennenmodell 2 offensichtlich wesentlich höhere Ströme als
Antennenmodell 1.
41
10-2
Antennenmodell 1
SAR
10-3 [W/kg]
Antennenmodell 2
10-4
10-5
10-6
10-7
Abbildung 3.29: SAR-Verteilungen in einem Horizontalschnitt durch den Brustkorb im Bereich des Herzens auf Höhe der
Antennenmitte für die Anregungsform „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, max.“, links: Befeldung mit Antennenmodell 1,
rechts: Befeldung mit Antennenmodell 2
3.4.5 Szenario 5: Modell mit 3 simultan betriebenen Quellen
Dieses Szenario stellt einen Fall der simultanen Exposition durch drei Quellen im
Kopfbereich dar. Konkret wurde die Situation eines Infoterminals mit Computer und
Bildschirm modelliert, wobei eine UWB-Quelle am Computer (z.B. als USB-Stick) und 2
UWB-Quellen am oberen Rahmen des Bildschirms (z.B. drahtlose Webcams) positioniert
sind. Das Computergehäuse und der Bildschirm wurden als ideal metallisch leitfähig
angenommen. Für alle drei Quellen wurde Antennenmodell 1 verwendet, wobei die
FDTD-Berechnungen allerdings nur im Frequenzbereich 3,1-4,8 GHz durchgeführt
wurden. Diese Einschränkung wurde notwendig, um die maximale FDTDGitterschrittweite im Gewebe, unter Einhaltung des λ/10-Kriteriums, auf 0,7 mm erhöhen
und damit trotz des relativ großen Rechenraumes mit den vorhandenen
Computerressourcen das Auslangen finden zu können. Die jeweils kleinste Distanz der
drei Quellen zum Kopf betrug 8,5 cm, 5 cm und 10 cm.
Abbildung 3.30 zeigt das in SEMCAD X erstellte Modell.
Abbildung 3.30: SEMCAD X Modell des Szenarios 5:Exposition des Kopfes mit 3 gleichzeitig aktiven UWB-Quellen.
42
Die im Folgenden dargestellten Ergebnisse wurden unter der Annahme der
Ausschöpfung der Sendeleistungslimits der Regulierungen [4] und [5], bei
Berücksichtigung eines mittleren Antennengewinns von 3 dBi berechnet.
Abbildung 3.31 zeigt zur Illustration eine Sequenz von Momentaufnahmen der
elektrischen Feldstärkeverteilung in einer Horizontalebene durch den Kopf in
Zeitschritten von 0,5 ns.
0,0008 V/m
0,008 V/m
0,08 V/m
0,8 V/m
8 V/m
80 V/m
Abbildung 3.31: Sequenz von Momentaufnahmen (Zeitschritt 0,5 ns) der elektrischen Feldstärke
in einer Horizontalebene durch den Kopf (Quellen-Leerlaufspannungsamplitude 7,9 V pro Quelle)
Die maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR trat in dieser Situation im Bereich der
Nasenspitze auf. Abbildung 3.32 zeigt die Berechnungsergebnisse für die maximale
über 10g Gewebe gemittelte SAR für die betrachteten Anregungsformen.
Die maximale über 10g Gewebe gemittelte SA bei Anregung „Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz
max.“ beträgt 2,14*10-10 J/kg.
Aufgrund der, im Vergleich zu Szenarien 1-4 wesentlich größeren Distanz der Quellen
zum Körper sind die SAR10g und SA10g Werte erwartungsgemäß (trotz simultaner
Exposition durch drei Quellen) vergleichsweise sehr gering. Konkret liegt der maximale
SAR10g Wert unter den betrachteten Bedingungen bei weniger als 0,0025% des
Basiswertes nach ICNIRP [13] von 2 W/kg (Allgemeinbevölkerung, Kopf). Das Verhältnis
der maximalen SA10g zum entsprechenden Basiswert nach ICNIRP (2 mJ/kg) beträgt
sogar weniger als 0,000011%.
43
5.0E-05
4.68E-05
4.5E-05
4.0E-05
SAR10g,max [W/kg]
3.5E-05
3.0E-05
2.5E-05
2.02E-05
2.0E-05
1.55E-05
1.5E-05
1.0E-05
5.0E-06
0.0E+00
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz max.“
„WiMedia_BdNr. 2“
„WiMedia_BdNr. 3“
Abbildung 3.32: Maximale über 10g Gewebe gemittelte SAR in Szenario 3 für die unterschiedlichen betrachteten spektralen
Anregungsformen (vgl. Kapitel 3.2.3)
Abbildung 3.33 zeigt die SAR-Verteilungen (räumlich ungemittelt) in einem
Horizontalschnitt durch den Kopf auf Höhe der Antennen für die beiden Anregungsfälle
„Vfg 1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ und „WiMedia Band 2.“.
10-4 SAR
[W/kg]
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
Abbildung 3.33: SAR-Verteilung in einem Horizontalschnitt durch den Kopf auf Höhe der Antennen für die Anregungsformen „Vfg
1/2008 3,4-4,8 GHz, typ.“ (links) und „WiMedia Band 2.“ (rechts)
44
4 BEURTEILUNG DER MESS- UND
BERECHNUNGSERGEBNISSE
4.1 Exposition im Fernfeld von UWB-Geräten
Die durchgeführten Messungen und numerischen Berechnungen bestätigen die bereits
auf Basis theoretischer Überlegungen ableitbare Erkenntnis (vgl. Kapitel 2.1 in [2]), dass
zur Funkregulierung (nach [3],[4],[5]) konforme UWB-Geräte im Frequenzbereich von
3,1-10,6 GHz Hochfrequenzimmissionen verursachen, die mehrere Größenordnungen
unterhalb den derzeit anerkannten Referenzwerten für die Allgemeinbevölkerung (z.B.
nach ICNIRP [13]) liegen. Die in 15 cm Abstand zu einer Auswahl von derzeit bereits
verfügbaren
UWB-Geräten
gemessenen,
zeitlich
gemittelten
äquivalenten
Strahlungsleistungsdichten waren in keinem der untersuchten Fälle größer als
0,33 mW/m2. Dies entspricht 0,0033% des von ICNIRP [13] für die Allgemeinbevölkerung
festgelegten Referenzwertes von 10 W/m2. Selbst bei Hochrechnung dieser
Messergebnisse auf den Fall theoretisch idealer spektraler Effizienz der Aussendungen,
werden die zeitlich gemittelten Strahlungsleistungsdichten in Abständen >15 cm zu
einzelnen in Europa zugelassenen UWB-Geräten noch immer unterhalb von 1 mW/m2
(also bei weniger als 0,01% des genannten Referenzwertes) zu liegen kommen. In
größeren Abständen (z.B. > 1 m) werden die von derartigen UWB-Geräten verursachten
Immissionswerte typischerweise so gering sein (<0,025 mW/m2, bzw. <0,00025% des
ICNIRP-Referenzwertes [13] für die Allgemeinbevölkerung), dass sie sich im
Allgemeinen einer messtechnischen Erfassung mit Standard-Messgeräten entziehen
werden.
Die maximalen, zeitlich ungemittelten Maximalimmissionen (Burst-Effektivwert bei MBOFDM basierten UWB-Geräten bzw. Impulsspitzenwerte bei Impuls UWB-Geräten) in
15 cm Abstand zu den Geräten lagen bei den untersuchten Geräten unterhalb von
0,52 mW/m2 bzw. 2,5 mW/m2 äquivalenter Strahlungsleistungsdichte. Dies entspricht
weniger als 0,0052% bzw. weniger als 0,025% des Referenzwertes für Impulsbelastung
nach ICNIRP [13].
Zum Vergleich der von UWB-Geräten zu erwartenden Immissionen mit anderen „Short
Range“ Übertragungsverfahren fasst Tabelle 4.1 in der Literatur berichtete typische
Immissionswerte von WLAN, DECT und Bluetooth-Geräten, sowie drahtloser
Computerperipherie und drahtloser Audioübertragungssysteme in 15 cm und 1 m
Distanz zu den Quellen zusammen.
Verglichen mit den Ergebnissen der Untersuchungen in der Nähe von UWB-Geräten
liegen die Immissionen aller dieser Short Range Anwendungen deutlich über jenen von
UWB-Geräten zu erwartenden. Dies gilt insbesondere dann, wenn man nicht nur die
Absolutwerte der äquivalenten Strahlungsleistungsdichte vergleicht, sondern die auf den
jeweiligen Referenzwert bezogenen Relativwerte der Strahlenbelastung.
Ein weiterer anschaulicher Vergleich der zu erwartenden UWB-Immissionen kann
beispielsweise mit den Immissionen zufolge des digitalen Fernsehrundfunks DVB-T
gezogen werden. Wie oben erwähnt, werden die in Europa betreibbaren UWB-Geräte in
1 m Abstand Immissionen im Ausmaß von weniger als <0,025 mW/m2, bzw. <0,00025%
des ICNIRP-Referenzwertes verursachen, wobei dieser Wert als Obergrenze unter der
Annahme optimaler spektraler Effizienz des Gerätes angesehen werden kann. Die
Immissionen im Abstand von ca. 1 m zu realen UWB-Geräte werden demnach deutlich
45
unterhalb dieses Wertes, typischerweise im Bereich von ca. 0,005-0,05 mW/m2 liegen
(vgl. Messergebnisse in Kapitel 2.4). Dies entspricht 0,00005-0,0005% des
Referenzwertes. Aus einer ausführlichen Arbeit zum Thema der DVB-T Immissionen in
Deutschland [26], [27] wurde das 50. Perzentil (p50) der DVB-T-Immissionen zu ca.
0,0015 mW/m2 bestimmt (basierend auf der Auswertung von 200 Immissionspunkten in
Deutschland). Unter der Annahme eines mittleren Referenzwertes ([13]) im DVB-T
Frequenzbereich von ca. 3 W/m2, entspricht der ermittelte p50 Wert daher ca. 0,00005%
des Referenzwertes, also in etwa der gleichen Größenordnung, wie die von einem UWBGerät in 1 m Abstand zu erwartenden Immissionen.
Gerätetyp
DECT Mobilteil
DECT Basisstation (1 Gespräch)
WLAN Access Point
WLAN Einsteckkarten
Bluetooth Klasse 1
Bluetooth Klasse 2
Drahtlose Kopfhörer (Sender)
Drahtlose Maus/Tastatur
MB-OFDM-UWB (Belkin)
MB-OFDM-UWB (IOGEAR)
Impuls-UWB (PulsON)
Impuls-UWB (Ubisense)
a
S15cm
[mW/m2]
10-65
4-183
12-150
40
0,42
<6
0,034-0,085
0,060-0,075
0,22-0,32
0,008a-0,030b
minimal gemessener Wert, nur UWB-Immissionen
b
S100cm
[mW/m2]
4-10
0,24-17
2,7-6
0,06-8
0,54
0,06
0,05-0,33
<< 6
-
Smax,ICNIRP
[mW/m2]
9700
9700
10000
10000
10000
10000
4320
2000
10000
10000
10000
10000
Quelle
[20],[21]
[20],[21],[24],[25]
[22][23],[24],[25]
[25]
[24]
[24]
[20],[21]
[24]
diese Arbeit
diese Arbeit
diese Arbeit
diese Arbeit
maximal gemessener Wert, UWB- plus Kontrollkanal-Immissionen
Tabelle 4.1: Typische Immissionen unterschiedlicher Funkanwendungen in 20 cm und 1m Abstand zu den Quellen
Ein weiterer Punkt, der in Zusammenhang mit UWB-Technologien in
strahlenschutztechnischer Sicht zu Diskussionen Anlass gibt, ist die Tatsache der
Emission von sehr kurzen Impulsen, die, wie vom Phänomen des Mikrowellenhörens
bekannt, grundsätzlich auch anders als auf die klassische „thermische“ Weise wirksam
werden können.
Dazu ist zunächst festzuhalten, dass dies nicht für UWB-Geräte nach WiMedia-Standard
anwendbar ist, da diese Geräte keine kurzen UWB-Impulse in obigem Sinne abstrahlen.
WiMedia-UWB-Geräte setzen HF-Burts mit Burstlängen im Bereich von Mikrosekunden
und darüber ab und unterscheiden sich in dieser Hinsicht daher nicht wesentlich
(abgesehen von Frequenzbereich, Bandbreite und viel geringerer Sendeleistung) von
anderen, bereits etablierten Technologien, wie z.B. WLAN IEEE 802.11g.
Aber auch für „echte“, d.h. Impuls-basierte UWB-Geräte, die der aktuellen Regulierung
im Frequenzbereich von 3,1-10,6 GHz (nach [3],[4],[5]) genügen, besteht auf Basis der
Ergebnisse dieses Vorhabens und elementarer theoretischer Betrachtungen keine
Möglichkeit relevanter „nicht thermischer“ Wirkungen in oben genanntem Sinn. Selbst
unter der theoretischen Annahme einer Vollausschöpfung der Spektralmaske für die
Spitzenleistung (0 dBm/50 MHz) gleichmäßig über den gesamten Frequenzbereich von
3,1-10,6 GHz, ergibt sich die maximale EIRP Impulsspitzenleistung zu
Ppeak ,max =
7500MHz
*10 −3 W = 0,15W
50 MHz
46
(4.1)
was im Abstand von z.B. 15 cm
Leistungsflussdichte von nicht mehr als
S peak ,max =
zur
Quelle
auf
einen
0,15W
= 0,53W / m 2
2
4π * 0,15
Spitzenwert
der
(4.2)
führen kann.
Für Impuls-Spitzenbelastungen sieht ICNIRP derzeit ein Limit entsprechend des 32fachen Referenzwertes der Feldstärke bzw. 1000-fachen Referenzwertes der
Leistungsflussdichte vor, d.h. der errechnete Maximalwert liegt bei nur etwa einem
halben Promille des Referenzwertes hinsichtlich der Leistungsflussdichte.
Für reale Geräte, mit geringerer Ausschöpfung des zur Verfügung stehenden Spektrums
werden diese Maximalwerte deutlich geringer ausfallen. Dies bestätigen auch die im
Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Messungen mit zwei Impuls-basierten UWBGeräten. Die in 15 cm Abstand gemessenen Feldstärkespitzenwerte betrugen 0,89 V/m
(PulsON) bzw. 0,96 V/m (Ubisense), entsprechend 2,1 mW/m2 (PulsON) und 2,4 mW/m2
(Ubisense) äquivalenter Strahlungsleistungsdichte. Hinsichtlich des Referenzwertes für
den Spitzenwert der Leistungsflussdichte bedeutet dies daher relative Belastungen von
nicht mehr als 0,000021% bzw. 0,000024% des ICNIRP-Limits. Dabei ist jedoch noch zu
berücksichtigen, dass gemäß dem Wortlaut in [13] für die Impulsspitzenbewertung streng
genommen die über die Impulsdauer gemittelte Amplitude zu verwenden ist. Im Sinne
eines konservativen Vergleichs wurde hier jedoch die tatsächliche Feldstärkeamplitude
(Spitzenwert) verwendet, d.h. die, nach den Definitionen in [13] beurteilte tatsächliche
relative Impuls-Belastung wird sogar noch geringer sein.
4.2 Exposition bei körpernah betriebenen UWB-Geräten
Die Befunde der sehr geringen Immissionen aus den durchgeführten Messungen werden
auch durch die numerischen Berechnungen bestätigt. Soweit vergleichbar, stehen die
Berechnungsergebnisse physikalisch im Einklang mit der bisher zum Thema der
Absorption von UWB-Feldern im Gewebe verfügbaren wissenschaftlichen Literatur ([28][34]), wenngleich sich bisher in der Literatur hauptsächlich grundlegende Arbeiten zur
Absorption von UWB-Feldern finden und noch keine Arbeiten hinsichtlich der Exposition
durch UWB-Geräte mit spezifischen, praktisch relevanten Sendespektren. Die maximale,
über 10g Gewebe gemittelte SAR in den untersuchten und als repräsentativ
anzusehenden Szenarien, mit Abständen zwischen UWB-Quelle und Körper im Bereich
von 8-12 mm, errechnete sich für das theoretisch maximal nach europäischer [3], bzw.
deutscher [4] UWB-Regulierung zulässige Sendespektrum zu 0,013 W/kg. Bei
Zugrundelegung des Basiswertes für lokale Befeldung von Kopf und Rumpf nach [13]
entspricht dies 0,65% des Basiswertes. Für reale, den erlaubten Spektralbereich nicht
voll ausnützende Geräte, bzw. Geräte, die nur Subbereiche des gesamten zur Verfügung
stehenden Spektrums ausnützen, sind entsprechend geringere maximale SAR10g-Werte
zu erwarten, typischer Weise im Bereich von maximal 0,001-0,008 W/kg. Die
numerischen Berechnungen der über 10g gemittelten spezifischen Absorption SA10g
führten ebenfalls auf nur sehr geringe Belastungen in Relation zum Basiswert von
2 mJ/kg. In jenem Szenario, das zu einer maximalen SAR10g führte, betrug die, bereits
unter der konservativen Annahme eines Einzelimpulses berechnete über 10g gemittelte
SA10g 8,74*10-9J/kg, was bezogen auf das ICNIRP-Limit für Allgemeinbevölkerung
(2mJ/kg) einer Belastung von nur 0,00044% des Limits entspricht.
47
Einen Vergleich mit anderen direkt am Körper betreibbaren Funkanwendungen, wie z.B.
DECT-Telefone, WLAN und Bluetooth zeigt Tabelle 4.2. Die Daten für die Exposition
durch UWB basieren auf den in diesem Vorhaben durchgeführten numerischen
Berechnungen (Annahme typischer Sendespektren). Alle anderen Expositionsdaten
stammen aus SAR-Messungen an konkreten Produkten. Die durch UWB-Geräte
verursachte lokale Exposition ist um mindestens 1-2 Größenordnungen geringer
einzustufen, als die typische Exposition durch die anderen angeführten Technologien.
Die von realen UWB-Geräten in Europa zu erwartenden maximalen SAR10g Werte
werden daher maximal in der Größenordnung jener von Bluetooth Klasse 3 Geräten
bekannten Werten liegen.
Gerätetyp
DECT Mobilteil a
WLAN Access Point a
WLAN Einsteckkarten a
Bluetooth Class 1 a
Bluetooth Class 2 a
Bluetooth Class 3 a
Drahtlose Maus/Tastatur a
MB-OFDM-UWB b
Impuls-UWB (FCC) b
Impuls-UWB (Europa) b
a
b
max. SAR10g
[W/kg]
0,011-0,052
0,1-0,81
0,05-0,43
0,09-0,47
0,0092
0,001-0,003
≤ 0,005
0,0002-0,002
0,0008-0,013
0,0002-0,0034
Quelle
[24]
[24],[25]
[20],[25]
[20],[24]
[24]
[24]
[24]
diese Arbeit
diese Arbeit
diese Arbeit
Messungen in homogenen Körperphantomen mit konkreten Produkten
Numerische Berechnungen mit vereinfachten Quellen und einem anatomischem Körpermodell
Tabelle 4.2: Typische maximale SAR10g Werte unterschiedlicher in unmittelbarere Körpernähe betriebene Funkanwendungen
4.3 Erhöhung des Immissionshintergrundes durch UWB-Geräte
In einer kürzlich erschienenen Publikation [35] wird schließlich die potenzielle Erhöhung
des elektromagnetischen Immissionshintergrundes bei intensiver lokaler Konzentration
von UWB-Anwendungen angedeutet. In [35] wird dies konkret in Zusammenhang mit
innerstädtischen Situationen mit einer Konzentration von Fahrzeugen, ausgerüstet mit
UWB-basierten Fahrerassistenzsystemen angesprochen. Obwohl derartige UWBSysteme wesentlich höhere Frequenzen (21,65-26,65 GHz) nutzen werden, als die hier
behandelten UWB-Systeme, sind die hier gewonnenen Erkenntnisse über die
Größenordnung der zu erwartenden Immissionen näherungsweise übertragbar, nicht
zuletzt deshalb, weil hinsichtlich der spektralen EIRP-Sendeleistungsdichtelimits (sowohl
für die mittlere, als auch für die Spitzenleistungsdichte) in der Funkregulierung [36],[37]
die gleichen Grenzwerte definiert sind. Ausgehend von der Obergrenze der mittleren
spektralen EIRP-Sendeleistungsdichte von -41,3 dBm/MHz liegt die theoretisch, maximal
mögliche EIRP-Gesamtsendeleistung bei 0,375 mW (bei Annahme von 5 GHz
Bandbreite im 21,65-26,65 GHz Frequenzband) bzw. bei maximal 0,289 mW (bei
Annahme von 3,9 GHz Gesamt-Bandbreite in den Frequenzbändern 3,4-4,8 GHz und
6,0-8,5 GHz). Für die folgenden Betrachtungen wird daher mit einer theoretisch
maximalen mittleren Sendeleistung eines UWB-Gerätes von ca. 0,35 mW gerechnet,
wenngleich zu erwähnen ist, dass reale Geräte teilweise weit hinter diesen Werten
zurückbleiben werden. Geht man, entsprechend dem Gedanken in [35] davon aus, dass
die lokale Konzentration von UWB-Geräten mit einer lokalen Konzentration von
Personen korreliert (Lenker der Fahrzeuge, bzw. User von anderen UWB48
Anwendungen),
kann
vermutet
werden,
dass
die
Anhebung
des
Immissionshintergrundes durch die UWB-Geräte, gemessen am Immissionshintergrund
verursacht durch etablierte Technologien, eher gering sein wird. Alltäglichen
Beobachtungen im urbanen Bereich zufolge, erscheint es nicht übertrieben davon
auszugehen, dass von 30 Personen (z.B. Fahrzeuglenkern) zumindest 1 Person gerade
ihr Mobiltelefon benützt. Geht man von guter Versorgung und damit ca. 10 mW mittlerer
Sendeleistung des Mobiltelefons aus, kann jede der 30 Personen ein UWB-System
betreiben, ohne dass der Immissionshintergrund der UWB-Aussendungen höher liegt als
der von dem einen aktiven Mobiltelefon verursachte Anteil.
Ein weiterer in [35] angeführter Aspekt ist die Frage in wie weit die Präsenz von UWB
andere, mit adaptiven Sendeleistungsmechanismen ausgestattete Funksysteme dazu
veranlassen kann das Sendeleistungsniveau und damit die Exposition der Bevölkerung
indirekt zu erhöhen. Wenngleich konkret aus gegenwärtiger Sicht nicht abschätzbar, so
erscheint dieser Aspekt für Europa eher von untergeordneter Bedeutung, da die
europäische UWB-Regulierung (im Vergleich zu den US-amerikanischen Festlegungen
der FCC) mehr Rücksicht auf etablierte Funkdienste nimmt. So ist gegenwärtig in Europa
der Frequenzbereich unterhalb von 3,4 GHz und zwischen 4,8 und 6,0 GHz überhaupt
nicht und der WiMAX Frequenzbereich von 3,4-3,8 GHz nur für UWB-Systeme mit
Störminderungstechniken nutzbar.
Zusammenfassend kann daher gesagt werden, dass die sich wahrscheinlich in naher
Zukunft am Markt verbreitende UWB-Technologie, im Vergleich mit anderen bereits
etablierten Funkanwendungen zu äußerst geringer Exposition von Personen führen wird.
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