2 Grundlagen e lektromagnetischer Felder

2 Grundlagen elektromagnetischer Felder
9
2 Grundlagen e lektromagnetischer Felder
Seit mehr als 100 Jahren nutzt der Mensch nun schon elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder für sehr viele Anwendungen wie Netzstrom, Radio, Fernsehen und viele
andere Anwendungen, die aus dem heutigen täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind.
Die elektrischen und magnetischen Felder lassen sich in statische (zeitlich konstante),
niederfrequente und hochfrequente Bereiche unterteilen. Das Merkmal zur Unterscheidung
dieser Bereiche ist die Frequenz, d.h. die Zahl der periodischen Feldänderungen (Schwingungen) pro Zeiteinheit. Die Frequenz wird angegeben in der Einheit Hertz (Hz). Dabei gilt:
1 000 000 000 Hz = 1 000 000 kHz = 1 000 MHz = 1 GHz. Abb. 2 gibt einen Überblick über
das gesamt elektromagnetische Spektrum, dessen einzelne Bereiche im Folgenden erläutert
werden.
Es gibt zwar keine natürliche Grenze zwischen Nieder- und Hochfrequenzbereich, üblicherweise spricht man aber bei Frequenzen unterhalb von etwa 30 kHz (=30000 Schwingungen
pro Sekunde) vom Niederfrequenz-Bereich. Für viele technische Anwendungen wird
besonders die Netzfrequenz von 50 Hz intensiv genutzt.
Im Frequenzbereich oberhalb des sichtbaren Lichts und der UV-Strahlung schließt sich die
ionisierende Strahlung an (z.B. Röntgen- und Gammastrahlung, s. Abb. 2). Die ionisierende Strahlung unterscheidet sich in ihrer Wirkung auf den Menschen erheblich von der
nichtionisierenden Strahlung im Nieder- und Hochfrequenzbereich. Gerade bei der Frage der
Exposition von Radartechnikern der Bundeswehr werden in den Medien häufig ionisierende
und nichtionisierende Strahlung irrtümlich vermischt (s. a. Kap. 3.4.3).
Im vorliegenden Bericht werden fast ausschließlich hochfrequente elektromagnetische
Felder im Frequenzbereich von 30 kHz bis 300 GHz betrachtet1. Oft wird auch nur der Teilbereich von 30 kHz bis 300 MHz als eigentliche Hochfrequenz bezeichnet und Frequenzen
von 300 MHz bis 300 GHz als Mikrowellen. Im Folgenden wird aber mit Hochfrequenz der
beide Teilbereiche umfassende Frequenzbereich bezeichnet. Die niederfrequenten Felder
und die ionisierende Strahlung sind nicht Gegenstand dieses Berichts.
Jeder elektromagnetischen Welle mit einer bestimmten Frequenz ist eine Wellenlänge zugeordnet. Dabei werden die Wellenlängen mit steigender Frequenz kürzer (Abb. 2). Die Wellenlänge ist wichtig für die Unterscheidung zwischen den Nahfeld und dem Fernfeld eines Senders. Vom Nahfeld spricht man bis zu einer Distanz vom Sender, die etwa einer Wellenlänge
entspricht. Bei größeren Entfernungen spricht man vom Fernfeld.
1
Ein Sender, der nicht in diesen Bereich fällt ist z.B. der Marinefunksender in Saterland-Ramsloh
(Kap. 3.1.5).
10
2 Grundlagen elektromagnetischer Felder
Abb. 2: Elektromagnetisches Spektrum im nieder- und hochfrequenten Bereich (Quelle:
Bundesamt für Strahlenschutz, 1999. Broschüre „Strahlung und Strahlenschutz“).
2 Grundlagen elektromagnetischer Felder
11
Im Nahfeld einer Sendeanlage sind elektrisches und magnetisches Feld entkoppelt und
müssen daher unabhängig voneinander betrachtet werden. Als Maß für die Stärke des elektrischen Feldes dient die elektrische Feldstärke, die in Volt pro Meter (V/m) angegeben
wird. Die Stärke des magnetischen Feldes wird durch die magnetische Feldstärke in der
Einheit Ampere pro Meter (A/m) beschrieben. Häufig wird anstelle der magnetischen Feldstärke auch die magnetische Flussdichte in der Einheit Tesla (T, 1 T = 1 000 000 µT)
verwendet. Magnetische Flussdichte und magnetische Feldstärke sind linear miteinander
verknüpft: 1 µT = 1.26 A/m.
Im Fernfeld einer Sendeanlage sind elektrisches und magnetisches Feld eng miteinander
gekoppelt. Bei Kenntnis des einen Feldes kann das jeweils andere berechnet werden. Man
spricht daher im Hochfrequenzbereich auch von elektromagnetischen Feldern. Zur
Beschreibung der Stärke eines elektromagnetischen Feldes wird die Leistungsflussdichte
verwendet. Sie gibt die Leistung (= Energie pro Zeiteinheit) in Watt (W) an, die senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle auf eine Fläche (in m²) trifft. Die Einheit
der Leistungsflussdichte ist W/m². Dabei gilt: 1 W/m² = 1 000 mW/m² = 1 000 000 µW/m². Im
Fernfeld kann die Leistungsflussdichte S und das elektrische Feld E ineinander umgerechnet
werden, wobei die Kopplung über den Feldwellenwiderstand Z0 = 377 Ω für den freien Raum
geschieht:
(1)
S=
E2
377Ω
mit S in W/m² und E in V/m.
Je höher die Frequenz der elektromagnetischen Felder ist, desto mehr nähern sich die
Ausbreitungseigenschaften denen des Lichts (Optik) an. Man spricht daher üblicherweise bei
Frequenzen im kHz- und im MHz-Bereich (z. B. Rundfunk- und Fernsehsender, Mobilfunk)
von elektromagnetischen Wellen und ab dem GHz-Bereich (z.B. Radaranlagen, Licht) von
elektromagnetischer Strahlung.
Im Fernfeld nimmt die elektrische Feldstärke reziprok mit dem Abstand zum Sender ab:
Wenn sich der Abstand zum Sender verzehnfacht, beträgt die elektrische Feldstärke nur
noch ein Zehntel des ursprünglichen Werts. Die Leistungsflussdichte folgt hingegen einer
reziprok-quadratischen Entfernungsabhängigkeit. Im zehnfachen Abstand zum Sender ist
die Leistungsflussdichte bereits auf ein Hundertstel des Ausgangswerts abgefallen. Die Leistungsflussdichte fällt somit wesentlich schneller mit zunehmender Entfernung ab als das
elektrische Feld (Abb. 3). Diese unterschiedlichen Eigenschaften müssen beachtet werden,
wenn Angaben zur „Stärke elektromagnetischer Felder“ beispielsweise im Vergleich mit
Grenz- oder Richtwerten (s. Kap. 7) betrachtet werden.
12
2 Grundlagen elektromagnetischer Felder
1.0
Feldstärke
Leistungsflussdichte
0.9
0.8
Elektrische Feldstärke (~ 1/r)
0.7
Leistungsflussdichte (~ 1/r²)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Relative Entfernung r
Abb. 3: Prinzipielle Entfernungsabhängigkeit des elektrischen Feldes und der Leistungsflussdichte (jeweils normiert) unter ungestörten Verhältnissen.
Die Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle von einer Sendeanlage erfolgt im Allgemeinen von einer Antenne. Je kleiner die Wellenlänge im Verhältnis zur Antennengröße ist
(d.h. mit steigender Frequenz), desto mehr wird die Energie nicht mehr gleichmäßig, sondern
in einzelne Raumrichtungen bevorzugt bzw. gebündelt abgestrahlt. Man spricht hier von
einer Richtwirkung. Beispiele für bündelnde Antennen sind Parabolantennen für Richtfunkstrecken (Kap. 3.7) oder auch Sendeantennen für Mobilfunkbasisstationen (Kap. 3.2.1)
(IMST, 1998).
Die Stärke der Bündelfähigkeit einer Antenne wird als Antennengewinn bezeichnet. In Richtung der stärksten Bündelung (Hauptstrahlrichtung) ist die von einer Antenne abgestrahlte
Leistungsflussdichte größer als die von einer schwach bündelnden Antenne. Die alleinige
Angabe der Sendeleistung einer Anlage ist somit zur Beurteilung der von ihr erzeugten
Leistungsflussdichte nicht mehr hinreichend. Man verwendet statt dessen eine bewertete
Größe, die äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP). Die EIRP gibt an, mit welcher
Sendeleistung man eine in alle Raumrichtungen gleichmäßig abstrahlende Antenne (Kugelstrahler) speisen müsste, um im Fernfeld dieselbe Leistungsflussdichte zu erzeugen wie in
Hauptstrahlrichtung einer bündelnden Antenne (IMST, 1998). Spezielle Informationen über
die Abstrahleigenschaften von Antennen kann in der Fachliteratur oder im Internet (z.B.
www.kathrein.de) nachgelesen werden.
Bislang wurde davon ausgegangen, dass die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder im
freien Raum stattfindet. Treffen die Felder aber auf Materie, können sie zu einem gewissen
2 Grundlagen elektromagnetischer Felder
13
Teil reflektiert oder beim Durchgang durch die Materie abgeschwächt werden (Dämpfung).
Auf diese Eigenschaft und deren Konsequenzen wird in Kap. 4.2 näher eingegangen.
Um Informationen mit elektromagnetischen Wellen zu übertragen, muss eine der Eigenschaften diese Welle (Amplitude, Frequenz oder Phase) zeitlich verändert (moduliert)
werden. Für jede Übertragungstechnologie ist das zu verwendende Modulationsverfahren
vorgeschrieben. So verwendet der Mittelwellen–Rundfunk (Kap. 3.1.2) eine Amplitudenmodulation, der UKW–Rundfunk (Kap. 3.1.1) eine Frequenzmodulation und der Richtfunk
(Kap. 3.7) eine Phasenmodulation.
Um auf einer Frequenz mehrere unterschiedliche Informationen gleichzeitig übertragen zu
können, werden zusätzlich digitale Kodierungsverfahren angewendet. Die zwei wichtigsten
Verfahren hierfür sind
•
das Zeitschlitzverfahren, das die GSM-Netze (D- und E-Netz, Kap. 3.2.1), die digitalen
Haustelefone (DECT, 3.3) und das neue Betriebsfunksystem TETRA (Kap. 3.2.3) einsetzen und
•
das Frequenzspreizverfahren (CDMA), das die UMTS-Netze (Kap. 3.2.1) und die Bluetooth-Technologie (Kap. 3.8.2) verwenden bzw. zukünftig verwenden werden.
Die genauere Spezifikation der einzelnen Technologien kann nicht Gegenstand dieses
Berichts sein. Es wird an dieser Stelle daher auf die zahlreiche Fachliteratur und Informationen im Internet (z.B. zu GSM: www.gsmworld.com, zu UMTS: www.umts-forum.de, zu
TETRA www.tetra.com, zu DECT: www.dectweb.com) verwiesen.
Die Vergabe von Frequenzen für bestimmte Nutzungen wie beispielsweise Rundfunk, Fernsehen, Mobilfunk und Radar wird auf internationaler Ebene verbindlich geregelt. Dabei wird
nicht nur die Frequenz sondern auch die maximale Sendeleistung, die zu verwendende
Modulation und weitere funktechnische Parameter festgelegt. In Deutschland ist die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) für die Vergabe und Überwachung
der Frequenznutzung verantwortlich. Auf den Internet-Seiten der RegTP (www.regtp.de)
finden sich dazu nähere Informationen.
Die Vorgaben für die verwendeten Technologien (z.B. GSM) werden in internationalen oder
europäischen Normen (z.B. ETSI-Normen (www.etsi.fr)) im Detail festgelegt und können in
Deutschland national nicht mehr verändert werden.