FAT VDA. Elektromagnetische Feldverteilung. bei Mobilfunkbetrieb im Kraftfahrzeug. Verband der Automobilindustrie

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1 FO RS C H U N G S V E R E I N I G U N G A U T 0 M 0 B I L T E C H N I K E. V. FAT- SCHRIFTENREIHE FAT 190 Elektromagnetische Feldverteilung und Einkopplungen bei Mobilfunkbetrieb im Kraftfahrzeug VDA Verband der Automobilindustrie

2 Elektromagnetische Feldverteilung und Einkopplungen bei Mobilfunkbetrieb im Kraftfahrzeug Auftraggeber: Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.v. (FAT) Westendstraße Frankfurt am Main Auftragnehmer: Universität Stuttgart, Institut für Hochfrequenztechnik ClfH], Prof. Dr.-Ing. habil. Friedrich Landstorfer Verfasser: Dipl.-Ing. Lothar Geisbusch, IfH Prof. Dr.-Ing. habil. F. Landstorfer, IfH PD Dr.-Ing. Ulrich Jakobus, M. van Wyk, M. van Rooyen, S. Clarke, Dr. J. van Tonder, D. le Roux, Dr. I. Theron, Dr. F. Meyer, EM Software & Systems-S.A. Ltd., Techno Ave. 32, Stellenbosch, Südafrika 2005

3 Postanschrift: Postfach Frankfurt/M. Telefon (069) Internet: Vervielfältigungen, auch auszugsweise, nur mit ausdrücklicher Genehmigung der FAT.

4 FAT AK23 EMV FAT INHALTSVERZEICHNIS 1. EINLEITUNG 3 2. VORBEMERKUNGEN UND AUFGABENSTELLUNG Fahrzeugmodelle Koordinatensystem Frequenzbänder Leistungspegel Interne Antennen Interne Antennentypen Positionen der internen Antennen Externe Antennen Ermittlung von Nahfeldern Ermittlung von Kabeleinkopplungen 3 3. VORBEMERKUNGEN ZU DEN BERECHNUNGEN Angewandte Berechnungsverfahren Aufbereitung der Fahrzeugmodelle Modellierung dielektrischer Körper im Fahrzeug Modellierung der Kabelbaumeinkopplung 3 4. ERGEBNISSE DER BERECHNUNGEN Vorbemerkungen zu den Nahfeldresultaten Ergebnisse für TETRA Ergebnisse für GSM Ergebnisse für GSM Ergebnisse für UMTS Ergebnisse für Bluetooth Ergebnisse unter Einbeziehung von VSG Scheiben (mit Siglasolschicht) Ergebnisse unter Berücksichtigung eines menschlichen Körpers Ergebnisse für den Bus Ergebnisse zur Kabeleinkopplung 3 5. VORBEMERKUNGEN ZU DEN MESSUNGEN Messsystem Theorie Realisierung Mechanik Mobiltelefon-Emulatoren 3 6. MESSUNGEN AN DER LIMOUSINE Aufbau Diskussion der Messergebnisse Messung der Einkopplungen in den Kabelbaum Aufbau und Messverfahren Ergebnisse 3 7. ZUSAMMENFASSUNG 3

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6 FAT AK23 EMV FAT 1. EINLEITUNG Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden numerische Berechnungen und Validierungsmessungen bezüglich der elektromagnetischen Feldverteilung in Fahrzeugen und der Einkopplung in Kabelbäumen durchgeführt. Als Strahlungsquelle wurden hierbei Mobilfunkanwendungen mit internen und externen Antennen aus den Frequenzbereichen TETRA (um 400 MHz), GSM 900, GSM 1800, UMTS (2 GHz) sowie Bluetooth (2,45 GHz) betrachtet. Die Modellierung sowie die Berechnungen wurden vom Projektpartner EM Software & Systems-S.A. (Pty) Ltd (EMSS) durchgeführt, wobei das Feldberechnungsprogramm FEKO [1] zur Anwendung kam. Zunächst wurden in einem ersten Schritt einfache generische Antennenmodelle entwickelt, und für die internen Mobilfunkgeräte auf einem kanonischen Gehäuse in Form eines metallischen Quaders montiert. Nach einer Validierung der Modelle wurden diese im Fahrzeug eingesetzt. Entsprechend wurden für die externen Antennen geeignete Modelle entwickelt, basierend auf Monopol-, Dipol- und Patchantennen. Unter Berücksichtigung der dreidimensionalen Fahrzeuggeometrie einer Limousine bzw. eines Cabriolets wurden in bestimmten Schnittebenen und Volumenbereichen die Nahfelder bestimmt, teilweise unter Anwendung von geeigneten Mittelungsverfahren. Für ausgewählte Fälle wurden auch Berechnungen unter Berücksichtigung von Menschenmodellen durchgeführt, sowie unter Einbeziehung einer Wärmeschutzverglasung (dünne dielektrische und leitfähige Schicht, sog. Siglasolverglasung). Die Messungen zur Feldverteilung und auch bezüglich der Kabeleinkopplung wurden vom Institut für Hochfrequenztechnik (IHF) der Universität Stuttgart beigesteuert. Dabei wurde ein neuartiges Sonden- und Meßsystem mit einer Linearverschiebeeinheit entwickelt. Die Messungen für die Limousine erfolgten an einem Rohmodell einer Fahrzeugkarosserie. Dieser Bericht gliedert sich wie folgt: Im Abschnitt 2 wird im Wesentlichen die Aufgabenstellung genau spezifiziert, z.b. bezüglich der verwendeten Fahrzeug- und Antennenmodelle, Positionen der internen und externen Antennen oder der Frequenzbereiche. Im Abschnitt 3 werden einige Vorbemerkungen zu den durchgeführten Berechnungen gegeben (wie z.b. eingesetzte Berechnungsverfahren oder Modellierungsgesichtspunkte). Ausgewählte Ergebnisse der numerischen Berechnungen finden sich im Abschnitt 4. Aufgrund der Vielfalt der Kombinationen aus Frequenz, Antennentyp und -position etc. können die Ergebnisse aus Platzgründen nur teilweise in diesem Band der FAT Schriftenreihe dargestellt werden. Das eingesetzte Messverfahren wird im Abschnitt 5 beschrieben, und in Abschnitten 6 finden sich die Ergebnisse der Validierungsmessungen. Abschnitt 7 stellt eine Zusammenfassung dar. Seite 3 von 109

7 FAT FAT AK23 EMV 2. VORBEMERKUNGEN UND AUFGABENSTELLUNG In diesem Abschnitt sollen einige erläuternde Angaben zu den durchgeführten numerischen Berechnungen und Messungen an Fahrzeugmodellen mit diversen internen und externen Mobilfunkantennen gemacht werden. So werden z.b. das Koordinatensystem oder die verwendeten Antennentypen und -Positionen genau spezifiziert. 2.1 Fahrzeugmodelle Die Untersuchungen wurden anhand von drei verschiedenen Fahrzeugmodellen durchgeführt: Limousine, vgl. Bild 1 (Berechnungsmodell) und Bild 2 (reale Karosserie für Messungen) Cabriolet, vgl. Bild 3 Bus, vgl. Bild 4 Bild 1: Berechnungsmodell der Limousine mit dem verwendeten Koordinatensystem. Seite 4 von 109

8 FAT AK23 EMV FAT Der Großteil der Untersuchungen bezieht sich auf das in Bild 1 und Bild 2 dargestellte Modell der Limousine. Soweit nicht explizit erwähnt, beziehen sich alle Ergebnisse auch auf dieses Fahrzeugmodell. Am Cabriolet wurden ausschließlich Berechnungen durchgeführt, keine Messungen. Durch einfaches Abschneiden des Daches der Limousine wurde das CAD Modell des Cabriolet in Bild 3 erstellt. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass das in Form einer NASTRAN Datei vom Auftraggeber überlassene Berechnungsmodell für die Limousine einige interne Details wie Sitze oder zusätzliche Metallstreben im Bereich des Armaturenbretts enthielt, die in dem später für die Messungen zur Verfügung gestellten Fahrzeug nicht vorhanden waren. Die meisten der Berechnungsergebnisse beziehen sich daher auf das volle Fahrzeugmodell (mit Sitzen etc.), lediglich bei den speziell zur Validierung der Messergebnisse durchgeführten Berechnungen sowie den Untersuchungen mit VSG Scheiben bzw. mit Kabelbaum wurden diese Teile aus dem Modell entfernt, um möglichst genau die Messkonfiguration nachzubilden. Bild 2: Rohkarosserie der Limousine für die Messungen. Seite 5 von 109

9 FAT FAT AK23 EMV Bild 3: Eingesetztes Berechnungsmodell für das Cabriolet. Bild 4: Berechnungsmodell für den Bus mit dem verwendeten Koordinatensystem. Seite 6 von 109

10 FAT AK23 EMV FAT Bezüglich der Glasscheiben im Fahrzeug wurden diese unter Zugrundelegung einer ESG Verglasung (Einscheibensicherheitsglas) nicht berücksichtigt (d.h. die Berechnung erfolgte gänzlich ohne Scheiben), da die zu erwartenden Effekte der reinen Glasplatte relativ klein sind. Ein Vergleich dieser Fälle erfolgte lediglich exemplarisch für ausgesuchte Konfigurationen. Bei VSG (Verbundsicherheitsglas) Scheiben wurde für das Berechnungsmodell die Siglasolschicht im Rahmen einer Oberflächenrandbedingung berücksichtigt, da diese dünne Silberschicht aufgrund der elektrischen Eigenschaften das Verhalten der Scheibe dominiert. Die Glasschichten sowie dünnen PVB Plastikfolien beiderseits der Siglasolschicht wurden für die Berechnungen vernachlässigt. In diesem Bericht werden für ausgewählte Fälle die Berechnungsergebnisse mit und ohne VSG Wärmeschutzverglasung gegenübergestellt. Seite 7 von 109

11 FAT FAT AK23 EMV 2.2 Koordinatensystem Das verwendete Koordinatensystem für die Limousine geht aus Bild 1 hervor, wobei sich die Fahrtrichtung in negativer x-richtung ergibt. Diese Position und Orientierung entspricht den Vorgaben in der vom Auftraggeber zur Verfügung gestellten NASTRAN Datei und wurde beibehalten. In x- Richtung erstreckt sich das Fahrzeug von -670 mm bis zu 3907 mm. Bezüglich der y-richtung ist das Fahrzeugmodell symmetrisch und nimmt den Bereich -908 mm mm ein. In z-richtung ist das Minimum beiz=114 mm, der höchste Punkt bei z=1379 mm. Für das Cabriolet in Bild 3 wurde die Position und Orientierung wie bei der Limousine beibehalten, lediglich das Dach wurde durch Abschneiden des CAD Modells im Computer entfernt (am Cabriolet wurden nur Berechnungen, jedoch keine Messungen durchgeführt). Beim Modell des Busses ist hingegen die positive x-richtung identisch zur Fahrtrichtung (d.h. entgegengesetzt zur Konvention bei Limousine und Cabriolet), siehe Bild 4. Der Bus nimmt die Bereiche x = mm, y = mm sowie z = mm ein. Seite 8 von 109

12 FAT AK23 EMV FAT 2.3 Frequenzbänder Die berücksichtigten Frequenzwerte innerhalb der jeweiligen Frequenzbänder sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Die Berechnungen wurden an allen zehn Frequenzenwerten durchgeführt, die Validierungs- und Vergleichsmessungen jedoch lediglich an den drei fett hervorgehobenen Frequenzen 433 MHz im TETRA Band, 916 MHz im GSM 900 Band sowie bei 1878 MHz im GSM 1800 Frequenzband. Tabelle 1: Verwendete Frequenzwerte innerhalb der Frequenzbänder. Frequenzband TETRA GSM 900 GSM 1800 UMTS BLUETOOTH Frequenzwerte [MHz] 380,410, , 895, , Seite 9 von 109

13 FAT FAT AK23 EMV 2.4 Leistungspegel Alle Ergebnisse in diesem Bericht (sowohl bezüglich der Nahfelder als auch für Einkopplungen in Kabelbäume) beziehen sich auf eine von der Antenne abgestrahlte Leistung von 1 Watt. Eine mögliche Fehlanpassung an den Eingangsklemmen der Antenne wird hierbei nicht berücksichtigt. Seite 10 von 109

14 FAT AK23 EMV 2.5 Interne Antennen Unter "interne Antennen" werden hier die Fälle verstanden, bei denen sich ein Mobilfunktelefon im Inneren des Fahrzeugs befindet. Im Folgenden werden die dabei berücksichtigten Antennentypen sowie die Positionen im Fahrzeuginneren beschrieben. Eine entsprechende Erläuterung zu den extern am Fahrzeug fest montierten Antennen folgt im Abschnitt Interne Antennentypen Für jedes Frequenzband (vgl. Aufstellung in Tabelle 1) werden verschiedene Antennentypen an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeug untersucht. Die Antennenpositionen werden im Abschnitt beschrieben, hier soll auf die Antennentypen eingegangen werden. Diese Antennentypen können für die jeweiligen Frequenzbänder den folgenden Tabellen (Tabelle 2 bis Tabelle 6) entnommen werden. Insbesondere soll hier auf die Spalte Antennennummer" hingewiesen werden, diese Nummer wird später bei den Ergebnissen immer wieder als Referenz verwendet. Bild 5: Für interne Antennen verwendetes Gehäuse des Mobiltelefons mit Antennenanbringungsort. Seite 11 von 109

15 FAT FAT AK23 EMV Die internen Antennen werden auf ein metallisches Gehäuse montiert, das in Bild 5 abgebildet ist. Die Abmessungen dieses Gehäuses betragen 120 mm x 50 mm x 34 mm. Die Patchantenne wird direkt auf der breiteren Gehäuseseite angebracht, während alle anderen Antennentypen auf der oberen Metallfläche mittig in dem in Bild 5 oben gezeigten Quadranten montiert werden (d.h. Abstand von der Ecke 12,5 mm bzw. 8,5 mm) Um die Lage dieser Mobiltelefone im Fahrzeug zu beschreiben werden Referenzpunkte angegeben. Diese Punkte beziehen sich auf den Mittelpunkt des Gehäuses, dieser ist in Bild 5 mit dem Ursprung des Koordinatensystems identisch. Tabelle 2: Interne Antennentypen für das TETRA Frequenzband. Frequenz- Antenne Antennen- Beschreibung band nummer A/4 Stab 1 Länge des Monopols: 175 mm Drahtradius: 0,5 mm TETRA 50 mm Stabantenne 1 2 Drahtradius: 2,5 mm Anmerkung: Diese Antenne wird nicht mehr verwendet, keine Ergebnisse sind verfügbar. Kurzer Stab mit Verkürzungsspule 3 Stab Länge: 15 mm Drahtradius: 0,4 mm Verkürzungsspule Länge: 50 mm Radius: 3 mm Drahtradius: 0,25 mm Anzahl von Windungen: 17 1 Diese Antenne war ursprünglich nicht in den Spezifikationen [2] enthalten. Sie wurde zunächst hinzugenommen, da absehbar war, mit einem 50 mm Stab die Validierungsmessungen durchzuführen. Später wurde jedoch die Entscheidung getroffen, mit einem A/4 Stab zu messen, so dass für diese Antennennummer 2 keinerlei Ergebnisse vorliegen. Um eine Lücke in der Nummerierung zu vermeiden, wurde die Antenne in die Auflistung mit aufgenommen. Seite 12 von 109

16 FAT AK23 EMV FAT Tabelle 3: Interne Antennentypen für das GSM 900 Frequenzband. Frequenz- Antenne Antennen- Beschreibung band nummer A/4 Stab 1 Länge des Monopols: 95 mm Drahtradius: 0,5 mm GSM 900 Kurzer Stab mit Verkürzungsspule 3 Stab Länge: 15 mm Drahtradius: 0,4 mm Verkürzungsspule Länge: 19 mm Radius: 3 mm Drahtradius: 0,25 mm Anzahl von Windungen: 6,6 Patchantenne 4 Abmessungen Patch: 75,65 x 42 mm 2 Rel. Dielektrizitätszahl Substrat: 1 Substrathöhe: 10 mm Seite 13 von 109

17 FAT FAT AK23 EMV Tabelle 4: Interne Antennentypen für das GSM 1800 Frequenzband. Frequenz- Antenne Antennen- Beschreibung band nummer A/4 Stab 1 Länge des Monopols: 40 mm Drahtradius 2 : 2,5 mm GSM 1800 Kurzer Stab mit Verkürzungsspule 3 Stab Länge: 8 mm Drahtradius: 0,3 mm Verkürzungsspule Länge: 15 mm Radius: 2,3 mm Drahtradius: 0,3 mm Anzahl von Windungen: 3 Patchantenne 4 Abmessungen Patch: 62 x 62 mm 2 Rel. Dielektrizitätszahl Substrat: 1 Substrathöhe: 7 mm Die für die Messung verwendete Antenne hat einen Durchmesser von 5 mm. Bei der Durchführung der Berechnungen für die TETRA und GSM 900 Frequenzbänder war dies noch nicht festgelegt, so dass dort mit einem Drahtdurchmesser von 1 mm gerechnet wurde. Diese Drahtdicke beeinflusst im Wesentlichen nur die Eingangsimpedanz der Antenne, aufgrund der Normierung der Sendeleistung auf 1 Watt ist bezüglich der Feldverteilungen und der Kabelkopplungen praktisch kein Unterschied feststellbar. Seite 14 von 109

18 FAT AK23 EMV FAT Tabelle 5: Interne Antennentypen für das UMTS Frequenzband. Frequenz- Antenne Antennen- Beschreibung band nummer A/4 Stab 1 Länge des Monopols: 40 mm Drahtradius: 2,5 mm UTMS Patchantenne 4 Abmessungen Patch: 60 x 54 mm 2 Rel. Dielektrizitätszahl Substrat: 1 Substrathöhe: 7 mm Planare Inverted F Antenne 5 Höhe über Masse: 5 mm Länge: 33,4 mm Speiseort: 10/33,4 Tabelle 6: Interne Antennentypen für das Bluetooth Frequenzband. Frequenz- Antenne Antennen- Beschreibung band nummer A/4 Stab 1 Länge des Monopols: 30,6 mm Drahtradius: 2,5 mm Bluetooth Patchantenne 4 Abmessungen Patch: 58 x 44 mm 2 Rel. Dielektrizitätszahl Substrat: 1 Substrathöhe: 5 mm Seite 15 von 109

19 FAT FAT AK23 EMV Positionen der internen Antennen Innerhalb der Limousine bzw. des Cabriolets werden prinzipiell sieben interne Positionen des Mobilfunkgeräts verwendet, allerdings abhängig vom jeweiligen Frequenzband. Die genauen Koordinaten hierzu können der Tabelle 7 entnommen werden. Eine graphische Veranschaulichung findet sich in Bild 6. Die Position 7 ist hierbei nur für das Bluetooth Frequenzband relevant. Tabelle 7: Positionen der internen Antennen bei der Limousine und beim Cabriolet. Positionsnummer Position des Mobiltelefons (x,y,z) [mm] Beschreibung (1000,0,580) (910,0,750) (1550,-470, 1200) (850, 400, 280) (2300, 370, 480) (1200,-670,450) Mittelkonsole (vor dem Schalthebel, liegend, Antenne zeigt nach vorne) Mitteldüse (Gerät aufrecht am Armaturenbrett) Kopfposition Fahrer (links außen an Türrahmen, Antenne 80 gegenüber Vertikalen gedreht) Fußraum Beifahrer (Gerät liegend, Antenne um 45 gegenüber Fahrtrichtung gedreht) Rückbank (Gerät liegend auf hinterem rechten Sitz, Antenne um 45 gegenüber Fahrtrichtung gedreht) Türfach (Gerät horizontal liegend im Türfach an der Fahrertür, Antenne zeigt in Fahrtrichtung) 7 (2576,490, 1120) Nur für Bluetooth relevant: Antenne montiert an der C- Säule Seite 16 von 109

20 FAT AK23 EMV FAT (a) Interne Position 1 (b) Interne Position 2 (c) Interne Position 3 (d) Interne Position 4 (e) Interne Position 5 (f) Interne Position 6 Bild 6: Positionen des Mobiltelefons innerhalb der Limousine. Seite 17 von 109

21 FAT FAT AK23 EMV Für den Bus werden insgesamt sechs interne Antennenpositionen berücksichtigt, diese sind in Tabelle 8: Positionen des Mobiltelefons innerhalb des Busses. Tabelle 8 aufgelistet und anhand des Berechnungsmodells des Busses in Bild 7 graphisch verdeutlicht. Positionsnummer Position des Mobiltelefons (x,y,z) [m] Beschreibung (3.764,0.9375, 1.57) (5.077, 1.2,1.115) (-5.2, , 2.05) (3.764,0.1,2.17) ( ,0.1,2.17) (1.95,0.9375, 1.57) Sitz hinter Fahrer, Gerät in Kopfhöhe, ca. 1,20 m über Boden Ablage beim Fahrer links neben Feststellbremse, unter Fenster, Gerät liegend, Antenne zeigt nach vorne Rückbank ganz hinten rechts, Gerät in Kopfhöhe Mittelgang, Beginn des Fahrgastraums vorne, stehende Person mit Gerät in Kopfhöhe, ca. 1,80 m über Boden Hintere Türe, Person stehend in Gangmitte, Gerät in 1,80 m Höhe Halber Abstand zwischen Fahrer und Hintertür, Person sitzend links, Gerät in Kopfhöhe (ca. 1,20 m über Boden) Seite 18 von 109

22 FAT AK23 EMV FAT (a) Interne Position 1 (b) Interne Position 2 (c) Interne Position 3 (d) Interne Position 4 (e) Interne Position 5 (f) Interne Position 6 Bild 7: Positionen des Mobiltelefons innerhalb des Busses. Seite 19 von 109

23 FAT FAT AK23 EMV 2.6 Externe Antennen Unter externen Antennen werden hier die Antennen verstanden, die außen am Fahrzeug angebracht werden. Hierzu zählen Monopol-, Dipol- oder auch Patchantennen. Ebenso wird die in die Heckscheibe integrierte Scheibenantenne in dieser Kategorie aufgeführt. Nähere Angaben zu den externen Antennen für die Limousine für den TETRA Frequenzbereich finden sich in Tabelle 9 und Bild 8. Bei den externen Antennennummern 1 bis 3 handelt es sich um 175 mm lange Monopolantennen mit einem Drahtradius von 0,5 mm, die gegen die Fahrzeugkarosserie gespeist werden. Die Antenne Nr. 4 ist ein 334 mm langer horizontaler Dipol im Bereich der Stoßstange. Analog zum TETRA Frequenzband sind in der Tabelle 10 die externen Antennen für GSM 900 spezifiziert. Hier betragen die Längen 95 mm (Monopol) bzw. 156 mm (Dipol). Die weiteren Antennentypen in den GSM Bändern, die nicht schon für das TETRA Frequenzband in Bild 8 dargestellt wurden, sind in Bild 9 abgebildet. Für UMTS sind die Angaben in Tabelle 11 sowie in Bild 10 zu finden. Im Bluetooth Frequenzband werden keine externen Antennen berücksichtigt. Beim Cabriolet werden abweichend zur Limousine die externen Antennen Nummern 1, 3 und 5 nicht berücksichtigt, da diese Positionen aufgrund des fehlenden Daches nicht möglich sind. Die anderen Antennenpositionen wurden jedoch analog untersucht. Tabelle 9: Externe Antennen für das TETRA Frequenzband. Frequenz- Antennen- Antennenposition Beschreibung band nummer (x,y,z) [mm] 1 (2680, 0, 1318) A/4 Monopol auf Dachmitte hinten 2 (3477, -750, 914) A/4 Monopol am linken Kotflügel TETRA 3 (1930,-619, 1297) A/4 Monopol am Fondtürrahmen oberhalb der Seitenscheibe hinter B-Säule 4 (3950, -450, 450) A/2 Dipol horizontal am linken Stoßfänger 5 - Integrierte Heckscheibenantenne (reale Struktur gemäß Vorgabe Auftragsgeber) Seite 20 von 109

24 FAT AK23 EMV FAT (a) Externe Antenne 1 (b) Externe Antenne 2 (c) Externe Antenne 3 (d) Externe Antenne 4 (e) Externe Antenne 5 Bild 8: Externe Antennen für das TETRA Frequenzband. Seite 21 von 109

25 FAT FAT AK23 EMV Tabelle 10: Externe Antennen für die GSM 900 und GSM 1800 Frequenzbänder. Frequenz- Antennen- Antennenposition Beschreibung band nummer (x,y,z) [mm] 1 (2680, 0, 1318) A/4 Monopol auf Dachmitte hinten 2 (3477, -750, 914) A/4 Monopol am linken Kotflügel 3 (1930,-619, 1297) A/4 Monopol am Fondtürrahmen oberhalb GSM 900 der Seitenscheibe hinter B-Säule und 4 (3950, -450, 450) A/2 Dipol horizontal am linken Stoßfänger GSM (2910,0, 1240) Integrierte Heckscheibenantenne: A/2 Dipol mittig in der Heckscheibe, etwa Vz vom oberen Scheibenrand entfernt 6 (1199,0, 1279) Scheibenantenne vorne: 50 mm Monopol im Bereich des Rückspiegels, vgl. Bild 9 7 (3950, -600, 400) Patchantenne im hinteren Stoßdämpfer (Fahrerseite), vgl. Bild 9 8 (890, -900, 887) Patchantenne im Außenspiegel, vgl. Bild 9 Seite 22 von 109

26 FAT AK23 EMV FAT (a) Externe Antenne 5 (b) Externe Antenne 6 (c) Externe Antenne 7 (d) Externe Antenne 8 Bild 9: Externe Antennen für die GSM Frequenzbänder (soweit noch nicht bei TETRA gezeigt). Seite 23 von 109

27 FAT FAT AK23 EMV Tabelle 11: Externe Antennen für das UMTS Frequenzband. Frequenz- Antennen- Antennenposition Beschreibung band nummer (x,y,z) [mm] UMTS 1 (2680,0, 1318) A/4 Monopol auf Dachmitte hinten 9 (3477, 0, 914) Integrierte Heckscheibenantenne, vgl. Bild 10 Bild 10: Externe Antenne Nr. 9 in der Heckscheibe für UMTS. Seite 24 von 109

28 FAT AK23 EMV FAT Beim Bus werden zwei verschiedene externe Antennen betrachtet, wobei jeweils ein A/4 Monopol auf dem Dach montiert wird, direkt über dem Fahrer bzw. mittig auf dem Dach, 50 cm von vorne, vgl. Bild 11. (a) Externe Position 1 über Fahrer (b) Externe Position 2 mittig (x,y,z) = (5082.5, 850, 2773) mm (x,y,z) = (5480, 0, 2773) mm Bild 11: Externe Antennenpositionen beim Bus. Seite 25 von 109

29 FAT FAT AK23 EMV 2.7 Ermittlung von Nahfeldern Zu den zu berechnenden Größen zählen sowohl Nahfelder als auch Einkopplungen in Kabelbäume. Für die Limousine und das Cabriolet werden bei den Berechnungen elektrische und magnetische Nahfelder sowie die Leistungsflussdichte in sechs Schnittebenen bestimmt, die im Folgenden beschrieben werden sollen. Zur messtechnischen Verifizierung wird lediglich entlang von eindimensionalen Pfaden gemessen. Für die Limousine und analog auch beim Cabriolet sind die sechs Nahfeldebenen anhand von Tabelle 12 definiert und graphisch in Bild 12 visualisiert. Bei den Berechnungen wird eine Gitterweite von 50 mm verwendet. Tabelle 12: Nahfeldschnittebenen innerhalb der Limousine und des Cabriolet. Nahfeld- x[mm] y [mm] z [mm] Bemerkung ebene Horizontalebene in Kopfhöhe Vertikale Schnittebene in Fahrtrichtung, mittig Vertikale Schnittebene in Fahrtrichtung, rechts Vertikale Schnittebene in Fahrtrichtung, links Vertikale Schnittebene quer zur Fahrtrichtung, vorne Vertikale Schnittebene quer zur Fahrtrichtung, hinten Seite 26 von 109

30 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (b) Nahfeldebene 2 (c) Nahfeldebene 3 (d) Nahfeldebene 4 (e) Nahfeldebene 5 (f) Nahfeldebene 6 Bild 12: Ebenen zur Nahfeldberechnung für die Limousine und das Cabriolet. Seite 27 von 109

31 FAT FAT AK23 EMV Beim Bus werden abweichend zu den bislang beschriebenen Ebenen und Volumenblöcken sechs verschiedene Messpfade definiert, die in Tabelle 13 und Bild 13 beschrieben werden. Tabelle 13: Pfade zur Nahfeldbestimmung im Bus. Pfad Position (x,y,z) [mm] Beschreibung 1 (4530, ,2558) Vorne quer, 20 cm unterhalb von Dach 2 ( ,850, 1570) In Fahrtrichtung durch Kopf des Fahrers (1,20 m über Boden) 3 (5700, , 1115) Vorne quer, 20 cm unterhalb des Lenkrads 4 ( ,-750,2170) Hintertür in Fahrtrichtung, Höhe 1,80 m über Boden, 50 cm von der Tür 5 (-5200, , 2050) Rückbank quer in Kopfhöhe 6 ( ,0, ) Entlang Mittelgang, 50 cm Höhe über Boden, zwischen Hintertür und letzter Sitzreihe Seite 28 von 109

32 FAT AK23 EMV FAT (a) Pfad 1 (b) Pfad 2 (c) Pfad 3 (d) Pfad 4 (e) Pfad 5 (f) Pfad 6 Bild 13: Pfade zur Nahfeldbestimmung im Bus. Seite 29 von 109

33 FAT FAT AK23 EMV 2.8 Ermittlung von Kabeleinkopplungen Zusätzlich zur Bestimmung von Nahfeldern sollen auch anhand eines Kabelbaums die induzierten Ströme bei Abschluss der Ports mit 50 Q ermittelt werden. Diese Art der Untersuchung ist laut Vorgabe nur für die Limousine durchzuführen, nicht für das Cabriolet und auch nicht für den Bus. Die Lage des Kabelbaums ist anhand von Bild 14 ersichtlich. Es handelt sich um einen einzelnen Leiter ohne Isolierung. Der Kabelbaum allein ist in Bild 15 zu sehen mit der verwendeten Nummerierung der Ports. Bild 14: Lage des Kabelbaums im Fahrzeug (Dach ist vorhanden, nur abgeschnitten, um ins Innere des Fahrzeugs zu sehen). Bild 15: Nummerierung der Ports im Kabelbaum. Seite 30 von 109

34 FAT AK23 EMV FAT 3. VORBEMERKUNGEN ZU DEN BERECHNUNGEN 3.1 Angewandte Berechnungsverfahren Die Berechnungen erfolgen mit dem Feldberechnungsprogramm FEKO [1], wobei verschiedene Berechnungsverfahren innerhalb dieses Programmpakets zur Auswahl stehen. Die im Rahmen dieses Projektes verwendeten Verfahren sind: Momentenmethode (MoM, method of moments) Mehrstufige schnelle Multipolmethode (MLFMM, multilevel fast multipole method) Die MoM ist quasi als sehr genaue Referenzlösung anzusehen und lässt sich auf alle notwendigen Fragestellungen dieses Projektes anwenden (z.b. Siglasolbeschichtung als dünne dielektrische Schicht, menschliche Körpermodelle als Dielektrikum). Der Nachteil der MoM ist der relativ hohe Aufwand an Rechenzeit und Speicherplatz. Durch eine parallele Implementierung in FEKO und mittels out-of-core Lösern war jedoch im Rahmen dieses Projektes die Lösung in den TETRA und GSM 900 Frequenzbereichen auf einem Cluster aus 16 Linux PCs möglich. Ursprünglich war im Projektantrag auch die Anwendung der Physikalischen Optik (PO, physical optics) für die höheren Frequenzen vorgesehen, wobei allerdings aufgrund der Innenraumprobleme Mehrfachreflexionen berücksichtigt werden müssen, was wiederum etwas aufwändiger ist. Parallel zur Bearbeitung dieses Projektes wurde die MLFMM in FEKO derart weiterentwickelt, dass der Einsatz der PO gar nicht erforderlich war. Die MLFMM ist im Prinzip eine im Rahmen einer einstellbaren Genauigkeit exakte Methode (ähnlich zu der MoM) und keine hochfrequente Nährung wie die PO. Der Hauptvorteil der MLFMM ist die drastische Reduktion von Rechenzeit und Speicherplatz im Vergleich zur MoM. Als Beispiel soll hier eine Berechnung bei 1878 MHz angeführt werden, wo das diskretisierte Fahrzeugmodell Unbekannte liefert. Die MoM brauchte einen Speicherplatz von 209 GByte, was selbst für eine parallele out-of-core Lösung sehr viel ist. Die MoM Rechenzeit ist nicht bekannt, da kein Rechner zur Verfügung stand, um das Problem zu lösen. Dieselbe Rechnung benötigt mit der MLFMM nur einen Speicher von 1,2 GByte, und die Rechenzeit beträgt lediglich 4 Stunden auf einem Standard PC (Intel Pentium 4 mit 1,8 GHz Taktfrequenz). Noch drastischer werden die Verhältnisse im Bluetooth Frequenzbereich bei 2,45 GHz: 784 GByte Speicherplatzbedarf der MoM im Vergleich zu 3,1 GByte der MLFMM. Verallgemeinert sind bei der MoM die Rechenzeit proportional zu N 3 (wenn N die Zahl der Unbekannten darstellt) und der Speicherplatz proportional zu N 2. Bei der MLFMM ist diese Abhängigkeit durch N*(log N) 2 für die Rechenzeit und N*(log N) für den Speicher gegeben, d.h. der Vorteil der MLFMM wird umso deutlicher je größer das Problem (bzw. je kleiner die Wellenlänge und je höher die Frequenz). Seite 31 von 109

35 FAT FAT AK23 EMV 3.2 Aufbereitung der Fahrzeugmodelle Vom Auftraggeber wurde ein Fahrzeugmodell in Form einer bereits vernetzten (d.h. in Dreiecke unterteilten) NASTRAN Datei zur Verfügung gestellt. Die Elementgröße war etwa für das TETRA Frequenzband angepasst, wobei neben der Netzverfeinerung für die höheren Frequenzen eine weitere Nachbearbeitung notwendig war. So mussten etwa im Bereich der Hutablage Anschlusspunkte für die Scharniere des Kofferraumdeckels geschaffen werden. Ebenso erfolgte die Modellierung der Streben in den Sitzen (vgl. Bild 16) im ursprünglichen Modell durch metallische Drähte. Bei hohen Frequenzen muss hier in kürzere Stabsegmente diskretisiert werden (der Wellenlänge angepasst), die dann zu dick werden und gewissen Segmentierungsregeln der MoM verletzen. Deshalb erfolgte eine alternative Modellierung mit äquivalenten Flächenelementen, wie in Bild 16 zu sehen. Bild 16: Verwendetes Berechnungsmodell für die Sitze. Bei der Vernetzung in feinere Elemente für die höheren Frequenzen wurde auch ein besonderes Augenmerk auf die Qualität der resultierenden Netze gelegt. Insbesondere wurden exemplarisch (d.h. für ausgesuchte Antennentypen und -positionen) Konvergenzuntersuchungen durchgeführt, um die Stabilität der Ergebnisse als Funktion der Elementgröße zu verifizieren. Bezüglich der verwendeten Fahrzeugmodelle für die Limousine wurden die in Tabelle 14 aufgelisteten Kombinationen im Rahmen der Konvergenztests untersucht. Das letztlich für alle Berechnungen verwendete Modell ist fett gekennzeichnet. Es muss beachtet werden, dass die Zahl der Basisfunktionen (oben mit N bezeichnet) ca. das 1,5-fache der Zahl der Dreiecke ist. Seite 32 von 109

36 FAT AK23 EMV FAT Tabelle 14: Verwendete Berechnungsmodelle für die Limousine. Frequenzband TETRA, GSM 900 GSM 1800 UMTS Bluetooth Anzahl von Dreiecken , , ,85 146, , Da bei den tiefen Frequenzen die Rechenzeit relativ kurz ist, wurde aus Vereinfachungsgründen das für GSM 900 erstellte Netz auch im TETRA Frequenzbereich verwendet. Aufgrund der Modellgröße konnte bei Bluetooth kein spezieller Konvergenztest durchgeführt werden, man kann aber leicht anhand der GSM 1800 Resultate die folgende Abschätzung vornehmen: Die Zahl der Dreiecke muss quadratisch mit der Frequenz (da zweidimensionale Modellierung von Flächen) steigen. Skaliert man die Elementzahl von UMTS auf Bluetooth führt dies auf * (2450/1878) 2 = Dreiecke, d.h. das verwendete Modell aus Elementen sollte ausreichend sein. Für den Bus ergeben sich aufgrund der Größe wesentlich mehr Elemente. Für den TETRA Frequenzbereich wurde in dreieckförmige Elemente unterteilt, bei GSM 900 in Ein Netz für GSM 1800 führte zu Elementen, was für die zur Verfügung stehenden Computern zu groß war. Seite 33 von 109

37 FAT FAT AK23 EMV 3.3 Modellierung dielektrischer Körper im Fahrzeug FEKO ist zwar das einzige kommerziell verfügbare Programm, welches die MLFMM anbietet, aber auch in FEKO sind noch Einschränkungen vorhanden, so kann z.b. keine Modellierung dielektrischer Körper im klassischen Sinne (d.h. unter Anwendung des Oberflächenäquivalenzprinzips) erfolgen. Dies ist jedoch für die Untersuchungen mit einem Körpermodell essentiell, da speziell Fragestellungen wie in Bild 17 dargestellt untersucht werden sollen. Bild 17: Verwendung eines dielektrischen Körpermodells in einem Fahrzeug. Eine Behandlung verlustbehafteter Materialien (Skineffekt, ohmsche Verluste, auch Flächenimpedanz für Siglasolschicht) ist aber sehr wohl mit der MLFMM möglich. Für dieses Projekt wurde deshalb in [3] detailliert geprüft, inwieweit man homogene dielektrische Körper durch eine Oberflächenimpedanz nachbilden kann. Hier werden dann anstelle von äquivalenten elektrischen und magnetischen Flächenstromdichten nur elektrische Ströme angesetzt, die über eine spezielle Oberflächenimpedanzrandbedingung mit dertangentialen elektrischen Feldstärke verknüpft sind. Eines der vielen in [3] untersuchten Beispiele soll hier repräsentativ vorgestellt werden. Es handelt sich um ein Fahrzeugmodell mit menschlichem Körper auf dem Fahrersitz bei 433 MHz. Diese Frequenz ist klein genug, so dass man auch klassisch mit der MoM rechnen kann. Bild 18 zeigt oben links diese MoM Referenzlösung (Nahfeld in der Ebene 2, vgl. Bild 12). Das Bild darunter zeigt die gleiche Feldverteilung, diesmal aber mit einer Impedanzrandbedingung ermittelt. Das Teilbild rechts oben zeigt den Fehler in einem vergrößerten Maßstab, die maximale Abweichung beträgt hier 0,12 db (oder 1,3%). Seite 34 von 109

38 FAT AK23 EMV FAT Plane 2: Dielectric Treatment db V/m N 0.5 Max using Dielectric Treatment: db V/m Surface Impedance Treatment db V/m Max using Surface Imp. Treatment: db V/m x[m] Max using Dielectric Treatment: V/m Max using Surface Imp. Treatment: V/m Max Difference: V/m Bild 18: Validierung der Behandlung dielektrischer Körper mit einer Impedanzrandbedingung. Seite 35 von 109

39 FAT FAT AK23 EMV 3.4 Modellierung der Kabelbaumeinkopplung Wie bereits im Abschnitt 2.8 erwähnt, sind auch Berechnungen und Messungen bezüglich der Einkopplung elektromagnetischer Felder in einen Kabelbaum Gegenstand dieser Studie. In diesem Abschnitt sollen deshalb einige Erläuterungen zu dem hierfür eingesetzten Berechnungsverfahren gegeben werden. Prinzipiell besteht für derartige Berechnungen die Möglichkeit, das Programm FEKO mit dem Kabelbaumanalyseprogramm CableMod [4] zu kombinieren. Dieses sog. CabFEKO eignet sich sowohl für Einstrahlungs- und Abstrahlungsuntersuchungen, und wird erfolgreich von zahlreichen Firmen eingesetzt, allerdings eher für EMV Untersuchungen in einem niedrigeren Frequenzbereich (ohne die beschriebene MLFMM war es bislang schon aus Rechenkapazitätsgründen gar nicht möglich, bei Fahrzeugstudien in die höheren Frequenzbereiche vorzudringen). Da CableMod quasistatische Approximationen zur Berechnung der Leitungsparameter (L und C Matrizen) einsetzt, hier jedoch bis zu Bluetooth bei 2,45 GHz gerechnet werden soll, wurde eine umfangreiche Validierung für diese hohen Frequenzen durchgeführt. Hierzu wurde das in Bild 19 gezeigte einfache Modell einer Platte mit seitlichen Metallflächen untersucht, wobei das L-förmige Kabel den gleichen Abstand zur Grundfläche hat wie später auch beim realen Fahrzeugmodell (variiert hier zwischen 20 und 25 mm). Das Kabel ist beidseitig mit 50 Q abgeschlossen, und als Anregung dient eine ebene einfallende Welle. Bild 19: Einfaches Validierungsbeispiel eines L-förmigen Kabels auf einer metallischen Grundfläche mit Seitenwänden. Seite 36 von 109

40 FAT AK23 EMV FAT Da der Kabelbaum in dem einfachen Modell in Bild 19, aber auch beim komplizierten Fahrzeugmodell in Bild 14, nur aus einem einzelnen Leiter besteht, ist prinzipiell auch eine geschlossene Lösung in FEKO möglich, ohne CableMod zu verwenden. Dann werden statische Approximationen vermieden, und Effekte wie Abstrahlung oder Verkopplung werden alle korrekt erfasst. l FEKO -^CabFEKO j Frequency [MHz] Bild 20: Induzierter Strom in einem Leitungsende des Kabels aus Bild 19: Vergleich einer geschlossenen FEKO Lösung mit der Kombination aus FEKO und CableMod (CabFEKO). Diese Referenzlösung bezüglich des in einem Ende des Kabels induzierten Stromes ist in Bild 20 dargestellt und kann mit der Lösung von FEKO kombiniert mit CableMod (d.h. CabFEKO) verglichen werden. Man erkennt bis etwa 240 MHz eine gute Übereinstimmung, bei höheren Frequenzen treten jedoch aufgrund von statischen Approximationen und des relativ hohen Abstandes des Kabels zur Grundfläche von 25 mm deutliche Abweichungen auf, die im Rahmen dieses Projektes nicht tolerierbar sind. Aus diesem Grund wurden alle Berechnungen zur Kabeleinkopplung nur mit FEKO durchgeführt, der Leiter wurde dabei mitmodelliert. Diese Tatsache sowie die notwendige lokale Verfeinerung der Diskretisierung der Karosserie in der Nähe des Kabelbaums (vgl. Bild 21) führen zwangsweise zu einem höheren Rechenzeit- und Speicherplatzaufwand. Seite 37 von 109

41 FAT FAT AK23 EMV Bild 21: Detailansicht der diskretisierten Fahrzeugstruktur mit Netzverfeinerung in der Nähe des Kabelbaums (Bereich des Fahrersitzes, der selber nicht im Model enthalten ist). Mobiltelefon an der Position 1 (Mittelkonsole). Seite 38 von 109

42 FAT AK23 EMV FAT 4. ERGEBNISSE DER BERECHNUNGEN 4.1 Vorbemerkungen zu den Nahfeldresultaten Die durchgeführten Berechnungen lieferten eine enorme Datenflut. Der Grund ist die große Zahl an Kombinationen: Zehn Frequenzwerte, unterschiedliche Mobilfunkantennen je nach Frequenzband, sechs interne Anbringungsorte, diverse externe Antennen, verschiedene Fahrzeugmodelle, mit und ohne menschlichem Phantom sowie mit und ohne Scheiben. Deshalb kann in diesem Bericht keine umfassende Darstellung aller Ergebnisse erfolgen. Es wurden exemplarisch interessante Fälle ausgewählt. Im Folgenden werden die Nahfelder in den sechs definierten Schnittebenen (vgl. Bild 12) graphisch aufbereitet (je sechs Diagramme pro Bild). Um besser vergleichen zu können, verwenden alle Darstellungen dieser Art den gleichen Maßstab, der in Bild 22 für das elektrische Feld abgedruckt ist (in db im Bereich db V / m, Darstellung von Effektivwerten der sog. Ersatzfeldstärke, bei der alle drei räumlichen Vektorkomponenten dem Betrage nach eingehen). Eine Darstellung von Magnetfeldern in diesen Schnittebenen erfolgt aus Platzgründen nicht Bild 22: Maßstab, der einheitlich allen elektrischen Nahfelddarstellungen in den Schnittebenen zugrunde liegt (in db v/m, Effektivwerte). Im Folgenden werden für die jeweiligen Frequenzbereiche Ergebnisse präsentiert, wobei zwei verschiedene geometrische Konfigurationen betrachtet werden: Antenne bzw. Mobilfunkgerät allein im Freiraum, ohne Fahrzeug Antenne bzw. Mobilfunkgerät in der Limousine Seite 39 von 109

43 FAT FAT AK23 EMV 4.2 Ergebnisse für TETRA (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 23: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) ohne Fahrzeug im Freiraum bei 433 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 40 von 109

44 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 24: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 380 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 41 von 109

45 FAT FAT AK23 EMV - (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) Hill III (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 25: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 410 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 42 von 109

46 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 26. Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 433 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 43 von 109

47 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 27: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 433 MHz. Externe Antenne 1 (Stab in Dachmitte hinten). Seite 44 von 109

48 FAT AK23 EMV FAT 4.3 Ergebnisse für GSM 900 (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 28: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) ohne Fahrzeug im Freiraum bei 916 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 45 von 109

49 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 29: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 876 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 46 von 109

50 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 30: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 895 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 47 von 109

51 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 31: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 916 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 48 von 109

52 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 32: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 876 MHz. Externe Antenne 1 (Stab in Dachmitte hinten). Seite 49 von 109

53 FAT FAT AK23 EMV 4.4 Ergebnisse für GSM 1800 (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 33: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) ohne Fahrzeug im Freiraum bei 1878 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 50 von 109

54 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 34: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 1710 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 51 von 109

55 FAT FAT AK23 EMV au-äw. ~~m - (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 35: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 1878 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 52 von 109

56 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 36: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 1878 MHz. Externe Antenne 1 (Stab in Dachmitte hinten). Seite 53 von 109

57 FAT FAT AK23 EMV 4.5 Ergebnisse für UMTS (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 37: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) ohne Fahrzeug im Freiraum bei 2000 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 54 von 109

58 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links).;;!%_ -4 i (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 38: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 2000 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 55 von 109

59 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, hinten) Bild 39: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 2000 MHz. Externe Antenne 1 (Stab in Dachmitte hinten). Seite 56 von 109

60 FAT AK23 EMV FAT 4.6 Ergebnisse für Bluetooth (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 40: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) ohne Fahrzeug im Freiraum bei 2450 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 57 von 109

61 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) im? igm Vt (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 41: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine bei 2450 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 58 von 109

62 FAT AK23 EMV FAT 4.7 Ergebnisse unter Einbeziehung von VSG Scheiben (mit Siglasoischicht) Im Gegensatz zu der im vorigen Abschnitt betrachteten ESG Scheibe soll hier eine VSG Scheibe mit Thermoisolierung berücksichtigt werden, die z.b. durch eine sog. Siglasoischicht (Markenname eines Herstellers) realisiert sein kann. Die Siglasoischicht stellt eine dünne Silberfolie (Dicke 2,5 nm) dar, die im FEKO Berechnungsmodell über eine Oberflächenimpedanzbedingung nachgebildet wird. Wie in Bild 42 zu sehen ist, wurden Front-, Heck- sowie alle Seitenscheiben mit einer Siglasoischicht versehen, ebenso das Glasdach. Lediglich in der Heckscheibe gibt es gewisse Schlitze mit Aussparungen in der Siglasoischicht. Das Modell weist im Inneren keine Sitze auf, außerdem ist eine Strebe im Bereich des Armaturenbretts nicht vorhanden. Der Grund ist, dass dieses Modell der für die Messungen zur Verfügung gestellten Rohkarosserie nachempfunden wurde, vgl. auch Kommentar hierzu im Abschnitt 2.1. I Bild 42: Berechnungsmodell der Limousine mit VSG Scheiben. Im Folgenden werden Ergebnisse für die TETRA, GSM 900 und GSM 1800 Frequenzbänder vorgestellt (jeweils Vergleich mit und ohne VSG Scheiben). Nach Abstimmung mit dem Auftraggeber wurden nur diese Frequenzbänder zugrunde gelegt, mit je nur einer Frequenz (433 MHz, 916 MHz bzw MHz). Seite 59 von 109

63 FAT FAT AK23 EMV (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, links) (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 43: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine ohne Scheiben bei 433 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 60 von 109

64 FAT AK23 EMV FAT (a) Nahfeldebene 1 (horizontal in Kopfhöhe) (b) Nahfeldebene 2 (vertikal in Fahrtrichtung, mittig) (c) Nahfeldebene 3 (vertikal in Fahrtrichtung, rechts) (d) Nahfeldebene 4 (vertikal in Fahrtrichtung, (e) Nahfeldebene 5 (vertikal quer zur (f) Nahfeldebene 6 (vertikal quer zur Fahrtrichtung, vorne) Fahrtrichtung, hinten) Bild 44: Berechnetes elektrisches Nahfeld in den Schnittebenen (vgl. Bild 12) innerhalb der Limousine mit VSG/Siglasol Scheiben bei 433 MHz. Interne Antenne 1 an Position 3 (Kopfposition Fahrer). Seite 61 von 109