Messungen und Berechnungen bei Handys

 
Bei Handys mit einer Entfernung des Menschen von wenigen Zentimetern zur Sendeantenne macht eine Feldstärkemessung bzw. -berechnung wie bei den Basisstationen keinen Sinn. Die Feldverteilung dicht bei der Antenne (im sog. Nahfeld, beim Mobilfunk liegt dieses bei Handyantennen bei weniger als etwa 10 - 20 cm) und die Strahlungsabsorption durch den Körper ist hierbei zu komplex, als daß dabei verwertbare Ergebnisse herauskommen.
Stattdessen wird die Exposition durch den Basisgrenzwert der spezifischen Absorptionsrate (SAR) charakterisiert, welche die aufgenommene Leistung pro Kilogramm Körpermasse (W/kg) über einen bestimmten Zeitraum (meist 6 Minuten) beschreibt.

Dieser SAR-Wert hängt von der Ausgangsleistung und Abstrahlungscharakteristik des Handys ab und wird nach der derzeitigen Grenzwertfestlegung in Europa auf einen Maximalwert von 2 W/kg festgelegt.
Da die maximalen Ausgangsleistungen der Handys unabhängig vom Modell (innerhalb von Toleranzgrenzen und abhängig vom Frequenzband) gleich sind, kommen die Unterschiede der SAR-Werte (real zwischen etwa 0,2 - 1,5 W/kg) durch unterschiedliche Anordnung und Charakteristik der Antenne zustande. Sie werden ab dem 1. Oktober 2001 von allen großen Herstellern mit angegeben (siehe dazu diese Links).

Die objektive und vergleichbare Bestimmung des SAR-Wertes ist wesentlich komplizierter als die Feldstärkemessung bei Basisstationen, da hierbei die Geometrie und Beschaffenheit des Meßobjektes (z. B. des Kopfes) sowie die exakte Entfernung und Anordnung zur Handyantenne eine große Rolle spielen. Berechnungen sind nur mit aufwändigen Computerprogrammen näherungsweise möglich, in der Praxis wird die Absorptionsrate jedoch mit einem dem menschlichen Kopf nachgebildeteten Dummy (dem sog. Phantomkopf) indirekt gemessen. Eine derartige Messung bedeutet mit Vorbereitung und Kalibration der Meßeinrichtung sowie Auswertung einen Aufwand von etwa einem Arbeitstag je Handy.

Beispiel einer gemessenen SAR-Verteilung an dem Phantomkopf.

Die Messung der SAR

Zwei Möglichkeiten

Für die Messung der SAR gibt es unterschiedliche Messprinzipien. Eine Möglichkeit dabei ist die Temperaturänderung in dem Phantom zu messen, da die SAR proportional der Temperaturerhöhung ist. Der Vorteil dieser Methodik ist, dass die Temperatursensoren in nahezu allen beliebigen Grössen relativ einfach produziert werden können. Schwierig dabei ist die gewünschte Messgenauigkeit von 0.1 Watt/kg zu halten. Die geforderte Empfindlichkeit kann nur mit Hilfe von Sonden auf Thermistorbasis erreicht werden. Ein weiterer Nachteil bei dieser Messmethode ist, dass die Temperaturänderungen nur im thermodynamischen Gleichgewicht gemessen werden können. Dadurch ergeben sich relativ lange Wartezeiten, bis das thermodynamische Gleichgewicht nach einem Messzyklus wieder erreicht wird. Dies bedeutet lange Prüfzeiten.

Eine andere Möglichkeit ist die Messung des elektrischen Feldes direkt innerhalb des Phantoms. Für die Messung des elektr. Feldes im Nahbereich können nur Sonden mit dreidimensionalen (isotropen) Messeigenschaften verwendet werden, da die Feldausrichtung im Nahfeld nicht festgestellt werden kann. Nachteilig hier ist die Konstruktion der Sonden, da die hohe Genauigkeit nur bei sehr kleinen Sonden (wenige Millimeter Durchmesser) erreicht werden kann.

Da die SAR-Erfassung über die Messung des elektr. Feldes genauer und schneller ist, wurde sie auch als Basis für den Produkt-Standard EN 50360 und den zugehörigen Mess-Standard EN 50361 bzw. IEC/EN 62209-1 (siehe unten bei den Referenzen) festgelegt, nach welcher die Handy-Hersteller seit Oktober 2001 ihre zu veröffentlichenden SAR-Werte zu erfassen haben.
In diesen Standards werden die theoretischen Hintergründe, alle relevanten Eigenschaften des notwendigen Meßaufbaus sowie die Meß-Durchführung und notwendige Berechnungsmethoden beschrieben.

Für die Messung wird das zu testende Handy in einer definierten, realitätsnahen Weise an einem "Ohr" des vorgeschriebenen Phantomkopfes befestigt und sendet mit maximaler Sendeleistung. Dazu wird eine Dauerverbindung mit einer eigens dafür aufzubauenden "Labor-Basisstation" hergestellt.
Der SAR-Wert wird durch Berechnungen aus einer Vielzahl von Messungen der elektr. Feldstärke berechnet. Diese wird mittels einer sehr kleinen (1 - 6 mm), isotropischen Meßsonde erfasst, welche durch eine computergesteuerte Vorrichtung mit sehr hoher Genauigkeit (± 0,2 mm) innerhalb des Phantomkopfes bewegt werden kann.

Bei der Messung wird in einem ersten Schritt in einem groben Raster von max. 2 cm zuerst der Bereich der höchsten elektr. Feldstärke gesucht, in welchem dann in feinerer Auflösung (Schritte von max. 5 mm) über einen Bereich von 30 x 30 x 25 mm eine Vielzahl von Einzelmessungen durchgeführt werden. Aus diesen Meßwerten der elektr. Feldstärke berechnet sich der jeweils zugehörige SAR-Wert dann aus dem Quadrat der Feldstärke, multipliziert mit der Leitfähigkeit und geteilt durch die Dichte des Phantoms.
Da nach der ICNIRP-Richtlinie der SAR-Wert über 10 g Gewebe gemittelt angegeben werden muß, werden aus der Reihe der Meßwerte des fein aufgelöst gemessenen Bereichs jene eines in der Norm noch weiter definierten würfelförmigen Bereichs herausgenommen, welcher 10 g Gewebe repräsentiert und diese werden dann gemittelt.
Das Ergebnis ist der anzugebende SAR-Wert.

Der Phantomkopf (SAM: Specific Anthropomorphic Mannequin) ist ein mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllter Kunststoffkörper und hat in etwa die gleiche Strahlungsabsorption wie der menschliche Kopf, sodaß sich eine der Realität angenäherte Feldverteilung und Absorption ergibt. Die Frequenzabhängigkeit der Strahlungsabsorption wird durch die je nach Frequenz unterschiedliche Festlegung der dielektrischen Flüssigkeit nachgebildet (eine Mischung aus Wasser, organischem Lösungsmittel und Kochsalz). Die Dimensionen des Phantomkopfes wurden basierend auf einer vorherigen Studie festgelegt, sie entsprechen dabei dem sog. 90%-Modell eines männlichen Erwachsenen.

Der "Standard"-Phantomkopf

Bestimmung der Expositionsverteilung von HF Feldern im menschlichen Körper, unter Berücksichtigung kleiner Strukturen und thermophysiologisch relevanter Parameter: Literaturstudie Im Abschlussbericht dieses Projekts im Rahmen des Deutschen Mobilfunk-Forschungsprogramms werden alle wesentlichen Aspekte erläutert.

 

Während es bei der SAR-Messung um die Immissionen durch Handys geht, benötigt man auch die Kenntnis der Emissionen von Handys, etwa um deren Antenne zu optimieren. Dafür werden computergesteuerte Meßvorrichtungen benutzt, welche eine dreidimensionale Erfassung der abgestrahlten Leistungen ermöglichen.

Schematischer Aufbau für Emissionsmessungen an Handys

Durch die computergesteuerte Drehung und Längeneinstellung des Drehtisches mit dem "telefonierenden" Phantomkopf und der Höheneinstellung der Meßantennenhalterung kann dann mit der hoch auflösenden Meßantenne die Feldstärke in jedem Winkel des Raumes gemessen werden.

Solche Messungen sind bei der Entwicklung eines Handys notwendig um die Abstrahlcharakteristik zu optimieren, da diese ausser einer guten Sende & Empfangsqualität auch den SAR-Wert bei dem damit telefonierenden Menschen mit beeinflusst.
 

In diesen drei Diagrammen ist als Beispiel die gemessene Abstrahlcharakteristik eines Handys in allen drei Raumrichtungen abgebildet. In der Mitte ist die jeweilige Kopfrichtung zu sehen (das Handy ist grün) und die rote Linie gibt die relative Strahlungsstärke wieder.
Bei den äußeren Diagrammen ist gut zu erkennen, wie durch das Design der Antenne und die Dämpfung des Kopfes die Sendeleistung stark vom Raumwinkel abhängt.
Derartige Diagramme sind je nach Handymodell unterschiedlich und auch von der Frequenz abhängig (900/1800 MHz).

	Übersicht zu SAR-Werten beim MMF Die Vereinigung der Mobilfunkhersteller (Mobile Manufacturer Forum, MMF) bietet auf dieser Seite seiner Homepage eine Übersicht mit Links zu den SAR-Informationen einzelner Handys verschiedener Hersteller an.
	SAR-Werte von Handys Eine Seite des Informationszentrum Mobilfunk (IZMF) mit einer Beschreibung sowie einer alphabetischen Liste.
	Einführung und Liste mit SAR-Werten von Handys, vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS)
	Handywerte.de Auf dieser Seite listet das EMF-Institut Dr. Nießen die SAR-Werte vieler Handys auf.

 

 
Referenzen:

Die folgenden Normen sind urheberrechtlich geschützte Schriftstücke und ausschließlich käuflich zu erwerben (EN bedeutet Europanorm):

• EN 50360
  Produktnorm zum Nachweis der Übereinstimmung von Mobiltelefonen mit den Basisgrenzwerten hinsichtlich der Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern (300 MHz bis 3 GHz)
• EN 50361
  Grundnorm zur Messung der Spezifischen Absorptionsrate (SAR) in Bezug auf die Sicherheit von Personen in elektromagnetischen Feldern von Mobiltelefonen (300 MHz bis 3 GHz)
   
• IEC/EN 62209-1
  Sicherheit von Personen in hochfrequenten Feldern von handgehaltenen und am Körper getragenen schnurlosen Kommunikationsgeraeten - Körpermodelle, Messgeraete und Verfahren - Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) von handgehaltenen Geräten, die in enger Nachbarschaft zum Ohr benutzt warden (Frequenzbereich von 300 MHz bis 3 GHz)
  Dieser globale Standard ersetzt seit 2007 den nur in Europa gültigen Standard EN 50361, inhaltlich ergeben sich keine relevanten Änderungen
   
• IEC/EN 62209-2
  Human exposure to radio frequency fields from hand-held and body-mounted wireless communication devices. Human models, instrumentation, and procedures Part 2: Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for wireless communication devices used in close proximity to the human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)."
  Dieser Standard enthält Richtlinien für eine reproduzierbare und konservative Messmethodik bei der Überprüfung der Einhaltung zulässiger SAR-Werte durch drahtlose Geräte mit trahlungsemittierenden Teilen bei einem Körperabstand vom 20 cm und mehr. Für Sender, die sehr nahe am menschlichen Ohr genutzt werden, sind die Verfahren des IEC-Standards 62209-1: 2005 anzuwenden.

 
Bildnachweis:

• SAR-Verteilung und Emissionsmessaufbau: C. Grangeat: "Radio Frequency Radiation from Mobile Phone", Alcatel Telecommunications Review, pp. 298 - 304, 1998
  
• Phantomkopf: Cenelec-Sandard EN 50361
• Emissionsdiagramme: "SAR och utstrålad effekt för 21 mobiltelefoner", SSI rapport 2002:01, Swedish Radiation Protection Authority (page 61)

 

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Zuletzt geändert: 24.05.10 Seitenanfang Zurück zur letzten Ansicht