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.

SAR-Verteilung am Kopf
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.

 
Die Messung nach dem Produktstandard IEC/EN 62209-1 und EN 50361

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.

 

Die Messung der Emissionen von Handys

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.

Emissionsmessung

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).

 

Mehr Information zu SAR-Werten und Referenzen:

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):

 
Bildnachweis:

 


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Zuletzt geändert: 06.01.14