Elektromagnetische Strahlung selektiv erfassen

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1 Elektromagnetische Strahlung selektiv erfassen Von Franck Placidet und Burkhard Braach Flächendeckende Versorgung mit Rundfunk, Fernsehen, Mobilfunk heißt zugleich allgegenwärtige elektromagnetische Strahlung. ICNIRP und nationale Gremien haben Grenzwe rte für den Personenschutz festgelegt. Doch in der Praxis bleibt oft die Frage: Wer misst was wo und vor allem wie? Eine Übersichtsmessung im Büro. Rechts das Ergebnis: Zu erkennen sind GSM-900 und GSM-1800 mit geringen Feldstärken, außerdem eine unbekannte Quelle bei 1400 MHz untersuchen. Die kann verwirrend sein. Denn Rundfunk, Fernsehen, Pager, nichtöffentliche Dienste für Polizei, Feuerwehr, Verkehrsunternehmen, dazu Mobilfunk von GSM bis zu UMTS jeder liefert seinen Beitrag. Was ist also wie zu messen? Mit einem breitbandigen Messgerät lässt sich die gesamte Feldbelastung nachweisen. Den Beitrag einzelner Dienste kann man nur mit 1 Im Prinzip ist alles klar. ICNIRP, die Internationale Kommission zum Schutz vor nicht ionisierender Strahlung, hat eindeutige Grenzwerte der elektromagnetischen Feldstärke für öffentlich zugängliche Bereiche (general public) und für beruflich bedingte höhere Belastungen (occupational) definiert. Öffentliche Bereiche das sind alle der Allgemeinheit zugänglichen Plätze, also auch Büros und Privatwohnungen. Wer misst? Die zuständigen Behörden sind von Amts wegen zur Kontrolle der elektromagnetischen Belastung verpflichtet. Sie können den Auftrag an Messdienstleister vergeben. Häufig beauftragen auch Gemeinden, Bürgerinitiativen, Betriebsräte oder Privatleute einen Messdienstleister oder Baubiologen, um die elektromagnetische Situation an einem bestimmten Ort zu

2 einem frequenzselektiven Messgerät erfassen. Diese Aufgabe lässt sich als Übersichtsmessung in teilweise unbekannter Feldumgebung umreißen. Sensible Bereiche dazu zählen Kindergärten, Schulen, Krankenhäuser. Für sie gelten teilweise niedrigere Grenzwerte, z.b. in der Schweiz und in Italien. Zum Nachweis sind breitbandige Messgeräte in der Regel zu unempfindlich, so dass man schon deshalb auf frequenzselektive Messtechnik angewiesen ist. Berufliche Belastung hier geht es nicht allein um die Exposition in Fertigungsbereichen, also um das, was man sich normalerweise unter Arbeitsschutz vorstellt. Hier geht es häufig um die Strahlung in direkter Umgebung von Sendeanlagen. Ihre Messung ist die Grundlage für die Festlegung von Sicherheitsbereichen und eventuell für die Genehmigung neuer Antennenstandorte. Dazu wollen Betreiber wie Behörden zunächst wissen, woher die wesentlichen Anteile der elektromagnetischen Strahlung stammen. Vergleichsmessung an Mobilfunkantennen. Rechts das Ergebnis einer Spektrumanalyse im GSM Band. Der Marker steht auf einer Frequenz, die von O2 benutzt wird. Da der Frequenzplan des Antennenstandorts als Tabelle hinterlegt ist, zeigt dies das SRM im Klartext Daran sind nicht nur die bekannten Antennen beteiligt. Oft sieht man vor lauter Bäumen den Wald nicht mehr: Rundfunksender, die weit strahlen, oder versteckte Dienste in der Nähe. Durch eine breitbandige Orientierungsmessung kann der Messdienst die Hot Spots, die Stellen mit den höchsten Feldstärken, finden. Ist der Immissionsgrenzwert überschritten, muss der Messdienst an den heißen Stellen die bekannten Quellen einzeln erfassen beispielsweise den UKW-Rundfunk und bestimmte Mobilfunkdienste. Das geht nur mit einer selektiven Messung in den entsprechenden Frequenzbereichen. Eine selektive Übersichtsmessung in den übrigen Frequenzbereichen bringt auch unbekannte Feldquellen ans Licht. 2

3 Selektive Messtechnik praxistauglich Grundsätzlich könnte man jeden Spektrumanalysator mit einer Messantenne zu einem frequenzselektiven Feldmessgerät umfunktionieren, die Ergebnisse z.b. per PC auf Feldstärkewerte umrechnen, nach den geltenden Standards bewerten und zu einem Gesamtwert integrieren. Damit wäre das Was und Wie erfüllt. Wenn man sich vor Augen führt, wer wo zu messen hat, erkennt man die Schwierigkeiten in der Praxis. Die Firma Narda Safety Test Solutions, spezialisiert auf Sicherheitsmesstechnik für elektromagnetische Felder, hat deshalb die Forderungen an ihr Selective Radiation Meter (SRM) so zusammengefasst: Frequenzselektiv und isotrop Messung aus der Hand Ergebnis in der Hand Isotrop Über den Gebrauchswert eines Geräts entscheiden nicht allein technische Daten Das SRM ist mit einer Messantenne ausgerüstet, die den Bereich von 75 MHz bis 3 GHz, also von UKW bis UMTS, isotrop (richtungsunabhängig) erfasst. Das erspart dem Messdienst aufwändige Dreh-, Punktraster- oder Schwenkmethoden, die an belebten Plätzen oft genauso wenig praktikabel sind wie an schlecht zugänglichen Sendestandorten. Messung aus der Hand Grundgerät und Messantenne lassen sich zu einer festen Einheit verbinden. Dadurch kann man die Messung wie mit herkömmlichen, breitbandigen Messgeräten durchführen. Man kann die Messantenne aber auch über Kabel an das Grundgerät anschließen und in die Hand nehmen, um z.b. ein Volumen abzutasten. Für Präzisionsmessungen lässt sie sich auf einem Stativ positionieren. 3

4 Ergebnis in der Hand Das SRM zeigt das isotrope Ergebnis sofort, und zwar so, wie Telecom- und Mobilfunkbetreiber, Messdienstleister und Behörden es brauchen: in Feldstärke oder in Prozent vom zulässigen Grenzwert, für eine einzelne Quelle oder einen einzelnen Kanal, als Liste von Quellen oder Kanälen, als Beitrag eines Telekommunikationsdienstes oder als Beitrag aller Dienste und deren prozentualen Anteil an der Gesamtexposition. Dazu muss man keine so genannten Antennenfaktoren eingeben. Sie sind samt individuellen Korrekturwerten in einem EEPROM der Messantenne gespeichert; das SRM liest sie automatisch über ein Nebenkabel aus. Die Peak-Tabelle zeigt die höchsten Einzelbeiträge innerhalb eines wählbaren Frequenzbands, hier die 12 höchsten Beiträge im GSM-1800-Band. Zuordnung zu den Betreibern gemäß Frequenztabelle Bewertung vor Ort Auch die Bewertung der einzelnen Spektralanteile und die Integration des Leistungsdichtespektrums zur Bildung des Gesamtwerts übernimmt das SRM selbst ohne externen PC. Intern gespeichert sind die Grenzwertungskurven nach ICNIRP, nach IEEE, nach der US-amerikanischen FCC (Federal Communications Commission), der deutschen BGV B11 (Berufsgenossenschaftliche Vorschrift für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit), der österreichischen ÖNORM S1120 und der kanadischen Norm Safety Code 6. Trotzdem kann man die Ergebnisse zur weiteren Auswertung oder zur Dokumentation mit einem PC über RS-232-Schnittstelle abrufen. Umgekehrt lassen sich neue Software-Versionen, Bewertungskurven oder Antennenfaktoren für Messantennen anderer Hersteller über RS-232 in das Gerät übertragen. 4

5 Safety Evaluation automatisch Die automatische Auswertung nach Sicherheitsaspekten ist im SRM eine eigene Messart mit eigenem Namen: Safety Evaluation. Der Anwender wählt aus dem Konfigurationsmenü die Dienste, die er erfassen möchte, und die Vorschrift, nach der er bewerten muss. Die Frequenztabellen sind im Gerät hinterlegt, die Bewertungsfaktoren gespeichert, so dass die Messung auf Knopfdruck abläuft. Das SRM misst sukzessive die Bänder, die den Diensten entsprechen, und erfasst außerdem, was dazwischen los ist. Die Auflösungsbandbreite stellt es so ein, dass in dem schmalsten Band noch acht Linien erfasst werden. Dadurch erreicht das SRM eine hohe Messgenauigkeit, ohne Messzeit zu verschwenden. Davon sieht der Messende nichts. Was er sieht, ist das Ergebnis: die Feldstärke-Beiträge der einzelnen Dienste (wie GSM und UMTS), die Beiträge der Frequenzbereiche dazwischen (Others) und die gesamte Feldexposition (Total). Das SRM hat dazu automatisch alle entsprechenden Spektrallinien integriert. In der Regel möchte der Messdienst das Ergebnis in Prozent des zulässigen Grenzwerts sehen. Dafür bewertet das SRM automatisch jede einzelne Spektrallinie nach der eingestellten Norm oder Vorschrift. Wer absolute Werte haben möchte, schaltet einfach um auf Feldstärke (V/m) oder Leistungsdichte (W/m 2 ). Schon bleibt die Bewertung unberücksichtigt. Safety Evaluation. Das SRM zeigt die Ergebnisse in Prozent des zulässigen Grenzwerts, hier bezogen auf die Grenzwerte der BGV B11, Expositionsbereich 1 Mess-Sicherheit mehr als nur geringe Mess-Unsicherheit Exzellente technische Daten mit geringen Mess-Unsicherheiten garantieren noch keine sicheren Ergebnisse. Denn bei der Messung zählt nicht nur das Was, Wie und Wo, sondern auch, wer misst. Nicht immer ist es der Funkfeld-Spezialist oder jemand, der in der Spektrumanalyse zu Hause ist. Gerade bei Messungen in öffentlichen Bereichen sind es Menschen, die nicht ständig elektromagnetische Felder untersuchen, sondern zwischendurch auch Gas oder Lärm zu messen haben. Sie wollen sich nicht eingehend mit Frequenzbereichen und Auflösungsbandbreiten beschäftigen. In der Messart Safety Evaluation benutzt das Gerät automatisch die geeigneten Bandbreiten. Die Frequenzbereiche stellt es nach den gewählten Diensten ein. Dabei bietet es nur diejenigen Dienste an, die mit der verwendeten Sonde auch erfasst werden können. Die Summen bildet es linear oder quadratisch entsprechend der gewählten Vorschrift. So reduziert es einen häufig unterschätzten Unsicherheitsfaktor: Unsachgemäße Bedienung und Irrtümer bei der Auswertung. 5

6 Spectrum Analysis für den Spezialisten Wer sich in der Spektrumanalyse auskennt, kann in der Messart Spectrum Analysis trotzdem alle technischen Möglichkeiten des Geräts individuell ausschöpfen. Mit geeigneten Messantennen misst das Gerät bis herab zu 100 khz. Die Auflösungsbandbreite lässt sich zwischen 1 khz und 5 MHz einstellen schmal genug, um Langwellensender voneinander zu trennen, und breit genug, um einen gesamten UMTS- Frequenzblock auf einmal zu erfassen. Die technischen Daten lassen auch einen Einsatz für allgemeine Feldmessungen zu. Mit einer Auflösungsbandbreite von 5 MHz erfasst das SRM einen ganzen UMTS-Frequenzblock Derselbe Block, gemessen mit 100 khz Auflösungsbandbreite. Die gesamte Feldstärke des Blocks lässt sich durch Integration ermitteln; die beiden senkrechten Linien zeigen die Integrationsgrenzen 6

7 Technische Besonderheiten Das SRM ist kein gewöhnlicher Spektrumanalysator. Seine Technik wurde speziell ausgelegt, um besondere Eigenschaften für die Analyse elektromagnetischer Felder zu erreichen. Dazu zählt ein geringes Eigenrauschen: Es beträgt -121 dbm bei 1 khz Auflösungsbandbreite. Gering ist auch das Phasenrauschen: Intern wird hierzu ein YIG-(Yttrium Iron Garnet)- Oszillator eingesetzt. Überlagerungsempfänger haben je nach eingestellter Auflösungsbandbreite (RBW) eine Wobbelzeit (Sweep Time), die für schnelle Messungen vor Ort unpraktisch lang ist. FFT- Analysatoren könnten schneller sein, schaffen aber einen Frequenzbereich bis 3 GHz nicht. Das SRM benutzt deshalb eine Kombination von analoger und digitaler Signalverarbeitung. Die grobe Selektion übernimmt ein klassischer Überlagerungsempfänger. Die weitere Verarbeitung geschieht digital per FFT. Die internen Einstellungen und Abläufe steuert das Gerät automatisch. So erreicht das Gerät Messzeiten von rund 1,5 Sekunden für ein isotropes Spektrum von 75 MHz bis 3 GHz bei einer Auflösungsbandbreite (RBW) von 5 MHz. Die isotrope Analyse des GSM-1800-Mobilfunk-Bands von 1,8 bis 1,9 GHz mit einer Auflösungsbandbreite von 200 khz liegt in rund 250 Millisekunden vor. Spektrumanalysatoren, die keine FFT benutzen, sind hier deutlich langsamer. Ein weiterer Punkt ist die Einstrahlfestigkeit. Durch spezielle Schirmungsmaßnahmen verträgt das SRM Feldstärken von mehreren hundert Volt pro Meter, ohne dass die Funktion gestört wird. Das ist wichtig, wenn z.b. Mobilfunkfelder in der Nähe starker Rundfunk- oder Fernsehsender gemessen werden sollen. Die Schirmung ist bei genauem Hinsehen u. a. als feines Gitter über der Anzeige zu erkennen. In diesem Zusammenhang ist wichtig, dass man den Messbereich unabhängig vom Darstellungsbereich der Anzeige wählen kann. So lässt sich der Mobilfunk formatfüllend darstellen, ohne dass der Rundfunk das Eingangsteil übersteuert. Dass die Anzeige monochrom ist, mag zunächst befremden. Untersuchungen haben gezeigt, dass unter Lichtverhältnissen im Freien keine andere Anzeige die gleiche Lesbarkeit bietet. Und darauf kommt es im Feldeinsatz an. In dunkler Umgebung lässt sich die Hinterleuchtung einschalten. Außerdem verlängert die geringere Stromaufnahme des monochromen Displays die Akkulaufzeit: Ca. 4 Stunden hält das Gerät mit einer Akkuladung durch. 7