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Physikalisch-elektrotechnische Grundlagen zur drahtlosen Kommunikation

Radoslaw Mazur


Inhalt

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen sind ineinandergreifende, zeitlich sich ändernde, elektrische und magnetische Felder, welche sich mit Lichtgeschwindigkeit in den Raum ausbreiten.

Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen

Spezielle Eigenschaften von Mikrowellen

Maxwellsche Gleichungen

Mitte des 19. Jahrhunderts stellte J.C.Maxwell (1831-1879) die Grundgleichungen zur Beschreibung zeitlich veränderlicher elektromagnetischer Felder auf, welche mit Hilfe der sogenannten Vektoranalysis formuliert werden.


$\displaystyle rot\ {\mathbf H}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle {\mathbf J} +\frac{\partial{\mathbf D}}{\partial t} = \kappa {\mathbf E} + \varepsilon \frac{\partial{\mathbf E}}{\partial t}$ (1)
$\displaystyle rot\ {\mathbf E}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle -\frac{\partial{\mathbf B}}{\partial t} = -\mu \frac{\partial{\mathbf H}}{\partial t}$ (2)
$\displaystyle div\ {\mathbf D}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \rho$ (3)
$\displaystyle div\ {\mathbf B}$ $\displaystyle =$ 0 (4)

Material- und Zusatzgleichungen:
$\displaystyle div\ {\mathbf J}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle - \frac{\partial \rho}{\partial t}$ (5)
$\displaystyle {\mathbf D}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \varepsilon {\mathbf E}$ (6)
$\displaystyle {\mathbf J}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \kappa {\mathbf E}$ (7)
$\displaystyle {\mathbf B}$ $\displaystyle =$ $\displaystyle \mu {\mathbf H}$ (8)

Die erste Maxwellsche Gleichung besagt, dass jedes sich zeitlich verändernde, elektrische Feld mit ringförmig geschlossenen, magnetischen Feldlinien, dem sogenannten magnetischen Wirbelfeld, umgeben ist.

Mit der Formulierung der zweiten Gleichung hat Maxwell ein analoges und, bezüglich des magnetischen und elektrischen Feldes, ein symmetrisches Gesetz aufgestellt: Auch ohne ein Vorhandensein von Ladung ist ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld von geschlossenen elektrischen Feldlinien umgeben.

Abbildung 1: Aussage der ersten beiden Maxwellschen Feldgleichungen.
\scalebox{1}{ \includegraphics{bilder/maxwell3.eps} }

Somit zeigt sich, dass das elektrische und das magnetische Feld in der Natur untrennbar miteinander verknüpft sind. Sie müssen zu einem einzigen Feld, dem elektromagnetischen Feld, zusammengefaßt werden, welches von den Feldstärkevektoren E und B eindeutig beschrieben werden kann.

Die dritte Maxwellsche Gleichung bringt die grundlegende Tatsache zum Ausdruck, dass elektrische Ladungen die Quelle elektrischer Felder sind, während die vierte Maxwellsche Gleichung besagt, dass es keine magnetischen Ladungen als Quellen magnetischer Felder gibt, dass heisst Magnetfelder stets Wirbelfelder sind.

Bei Betrachtung dieser Gleichungen kommt man zu folgender Erkenntnis: Die erste Maxwellsche Gleichung besagt, dass ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Wirbelfeld erzeugt. Die zweite Maxwellsche Gleichung sagt aus, dass ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt. Die Symmetrie der beiden Maxwellschen Gleichungen beruht auf dem Vorhandensein eines Verschiebestromes. Aus der mathematischen Struktur der symmetrischen Gleichungen folgt dann, wenn man beide miteinander verknüpft, dass der periodische Wechsel der aneinandergekoppelten elektrischen und magnetischen Felder sich mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit als elektromagnetische Welle im Raum ausbreitet.

Zu beachten ist jedoch, dass die aus der Relativitätstheorie und insbesondere Quantenmechanik resultierenden Effekte in diesen Gleichungen nicht berücksichtigt werden, so dass diese Beschreibung lediglich im Rahmen der klassischen Physik als vollständig angesehen werden kann.

Abbildung 2: Elektrisches und magnetisches Feld einer elektromagnetischer Welle.
\includegraphics{bilder/elmag_welle2.eps}

Mikrowellen im elektromagnetischen Spektrum

Für den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gelten die Maxwellschen Grundgesetze. Jede Wellenart lässt sich durch ihre Frequenz sowie ihre spezifische Wellenlänge im betrachteten Medium charakterisieren. Unterschiede treten allerdings bei der Art der Erzeugung und damit auch durch die verschiedenen Methoden, um sie nachzuweisen auf sowie bei den Wechselwirkungseffekten mit Materie.

Elektromagnetischen Wellen lassen sich auf elektrischem Wege in einem sehr großen Frequenzbereich von einigen Hz bis zu 1 THz erzeugen. Niedrige Frequenzen werden mit konventionellen Schwingkreisen aus Induktivitäten und Kapazitäten unter Verwendung von Elektronenröhren oder Transistoren erzeugt. Für höhere und höchste Frequenzen ($ f>100 MHz$) benutzt man, da die üblichen Elektronenröhren wegen der hohen Laufzeit zu träge arbeiten, Klystrons, Magnetrons oder Wanderfeldröhren. Im Bereich der Niederfrequenz liegen die technischen Wechselströme mit Frequenzen zwischen 16 Hz und 400 Hz. Dazu gehört auch der Netzwechselstrom von 50 Hz. Hieran schließt sich das Niederfrequenzgebiet der tonfrequenten Wechselströme an, das bis zu 15000 Hz reicht. Man verwendet sie vorwiegend im Bereich der Nachrichtentechnik zur Übertragung von Sprache und Musik. Es folgen die Wellen der Hoch- und Höchstfrequenzen die bis 1 THz reichen. Rundfunk und Fernsehen benutzen davon den Frequenzbereich von 150 KHz bis 960 MHz. Die von den GSM und UMTS Standards benutzten Frequenzen zur mobilen Sprach- und Datenübertragung liegen im Bereich um 900 MHz sowie von 1800 bis 2200 MHz. Desweiteren gibt es ein Frequenzband um 2,4 GHz der zur beliebigen Anwendung freigegeben ist und zum Beispiel von Bluetooth und WLAN benutzt wird. Grund für diese Freigabe ist die Tatsache, dass die Mikrowellenherde in diesem Frequenzbereich strahlen und somit starke Störungen verursachen, welche den professionellen Einsatz auf dieser Frequenz unmöglich machen.

Mikrowellenabsorption und Reflektion

Die Erwärmung eines Materials infolge der Absorption von Mikrowellen beruht im Wesentlichen auf den Mechanismen der induktiven bzw. dielektrischen Erhitzung, Die Induktionserhitzung findet hauptsächlich in Halbleitern und Metallen statt, in denen die freien Elektronen infolge des elektrischen Wechselfeldes beschleunigt werden, wodurch elektrische Wirbelströme entstehen. Diese Wirbelströme erzeugen ihrerseits neue elektromagnetische Wellen, so dass eine Reflektion stattfindet.

Abbildung 3: Ausrichtung eines polaren Moleküls im elektischen Feld.
\scalebox{1}{ \includegraphics{bilder/absorption.eps} }

Zum anderen können auch polare Moleküle Mikrowellenenergie aufnehmen. Die an sich elektrisch neutralen Moleküle eines Dielektrikums richten sich infolge der elektrischen Feldkomponente der elektromagnetischen Strahlung aus. In dem Wechselfeld werden die Moleküle daher mehr oder weniger stark hin- und her bewegt. Diese molekularen Schwingungen verursachen innere Reibungen, dielektrischer Verlust genannt, und erzeugen Wärme.

Beide Mechanismen, Bewegung freier Ladungsträger und Orientierung von Dipolen im elektromagnetischen Wechselfeld, besitzen eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit, d.h. dass auch die Absorption von Mikrowellen eines Materials temperatur- und frequenzabhängig ist.

Erzeugung von elektromagnetischen Wellen

Die einfachste Methode zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen ist die Benutzung eines harmonischen Schwingers, wie zum Beispiel einer $ \lambda /2$-Antenne wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Ausbildung des elektrischen Feldes um einen schwingenden elektrischen Dipol.


\scalebox{1}{\includegraphics{bilder/antennea.eps}}


\scalebox{1}{\includegraphics{bilder/antenneb.eps}}


\scalebox{1}{\includegraphics{bilder/antennec.eps}}


\scalebox{1}{\includegraphics{bilder/antenned.eps}}

Zuerst sind die Ladungen auf der Antenne gleichmäßig verteilt und somit bildet sich weder ein elektrisches noch ein magnetisches Feld um sie herum. Wird nun die gleichmäßige Verteilung gestört, (also die Antenne angeregt) bildet sich eine Ladungsverschiebung aus. Diese Ladungsverschiebung hat ihrerseits ein elektrisches Feld um die Antenne zur Folge. Als nächstes wird die äußere Störung wieder weggenommen und die Ladungen können in ihre ursprüngliche Position zurückfließen. Da jetzt kein elektrisches Feld mehr von der Antenne ausgeht, schließen sich die elektrischen Feldlinien. Es kommt jedoch zu keiner Aufhebung des elektrischen Feldes, denn während die Ladungen zurückflossen, bewegte sich das bereits entstandene elektrische Feld mit Lichtgeschwindigkeit von der Antenne weg. Dieses elektrische Feld ist als Ganzes elektrisch neutral, so dass es sich, ohne äußere Einflüsse, im Vakuum beliebig weit bewegen kann. Als nächstes entsteht nach gleichem Muster ein umgekehrtes Feld, welches sich dann ebenfalls von der Antenne fortbewegt. Solch ein Durchlauf entspricht dann einer vollständigen Schwingung der elektrischen Welle.

Falls die Elektronen auf der Antenne harmonisch schwingen, entsteht eine sinusförmige elektrische Welle. Mit Hilfe kleiner Abweichungen von dieser idealen Form lassen sich Informationen kodieren und übertragen (Modulation).

In dieser Betrachtung wurde das magnetische Feld nicht weiter beachtet. Dabei erzeugen die Elektronen während ihrer Bewegung auch ein magnetisches Feld. Dieses Feld hat analoge Eigenschaften zu dem oben beschriebenen elektrischen Feld.

Abbildung 5: Strahlungscharakteristik einer $ \lambda /2$-Antenne
\includegraphics{bilder/abstrahlung3.eps}

Wie in Abbildung 5 dargestellt, strahlt eine $ \lambda /2$-Antenne bevorzugt senkrecht zur ihrer Achse. Entlang der Achse werden keine elektromagnetischen Wellen gebildet. Durch andere Geometrien kann aber auch eine vollständige Rundstrahlcharakteristik erreicht werden. Eine Konzentrierung in eine bestimmte Richtung ist ebenfalls möglich (Richtfunk).

Empfang von elektromagnetischen Wellen

Wie in der Abbildung 6 dargestellt, werden elektromagnetische Wellen ebenfalls mit Hilfe von Antennen empfangen. Jeder Wellenzug der ankommenden elektromagnetischen Welle induziert eine Spannung auf der Antenne, die ihrerseits eine Ladungsverschiebung zur Folge hat. Diese Spannungen (und Ladungsverschiebungen) sind jedoch sehr klein, so dass erst eine Verstärkung der Signale stattfinden muss, bevor das Signal auswertbar wird.

Da der Unterschied zwischen der Energie die zur Ansteuerung der Antenne notwendig ist und der, die die Antenne empfängt, sehr groß ist, kann eine Antenne nie im Fullduplex Modus betrieben werden. Ebenso sind Carrier Sense Protokolle bei Funkübertragung unmöglich.

Abbildung 6: Ladungsverschiebung auf einer Antenne bei wechselnden elektrischem Feld.

\scalebox{0.7}{\includegraphics{bilder/empfang00.eps}}

\scalebox{0.7}{\includegraphics{bilder/empfang1.eps}}

\scalebox{0.7}{\includegraphics{bilder/empfang2.eps}}

\scalebox{0.7}{\includegraphics{bilder/empfang3.eps}}

\scalebox{0.7}{\includegraphics{bilder/empfang4.eps}}

Modulation

Zur Übertragung von Signalen (z.B. Sprache) kann das Originalsignal nicht direkt in elektromagnetische Wellen umgewandelt werden. Im Allgemeinen sind die Frequenzen von technisch interessanten Signalen so niedrig (d.h. die Wellenlängen so groß), dass man zu deren Übertragung gigantische Antennen benötigen würde. Außerdem werden lange elektromagnetische Wellen von der Atmosphäre reflektiert, eine Eigenschaft, die zum Beispiel bei der Raumfahrt sehr unerwünscht ist. Deswegen werden sehr kurze elektromagnetische Wellen als Träger verwendet. Sie werden auf der Senderseite in geeigneter Weise manipuliert. Diese Manipulation wird durch das Originalsignal gesteuert. Auf der Empfängerseite wird dann diese Manipulation rückgängig gemacht und dabei das Originalsignal zurückgewonnen. Diese Manipulation wird Modulation genannt.

Abbildung 7: Hochfrequentes Trägersignal
\includegraphics{bilder/modulation_traeger.eps}

Abbildung 8: Niederfrequentes Informationssignal
\includegraphics{bilder/modulation_signal.eps}

Amplitudenmodulation

Bei der Amplitudenmodulation wird, wie der Name schon andeutet, die Amplitude des Trägers manipuliert. Der Träger schwingt kontinuierlich mit einer festen Frequenz, die Amplitude ist aber nicht konstant, sondern eine Funktion des Originalsignals. Unter der Annahme, das Originalsignal sei eine Cosinus-Schwingung, lässt sich der Vorgang mathematisch folgendermaßen beschreiben:

$\displaystyle f(t) = A( 1 + m \cdot \cos(\omega_S \cdot t) )\cdot \cos(\omega_T\cdot t)$

mit:

$ A$: Amplitude des Trägers
$ m$: Modulationsgrad (zwischen 0 und 1)
$ \omega_T$: Kreisfrequenz des Trägers
$ \omega_S$: Kreisfrequenz des Originalsignals
$ t$: Zeit

Die Abbildung 9 stellt die Trägerwelle aus Abbildung 7 dar, die durch ein Informationssignal aus Abbildung 8 amplitudenmoduliert wurde. Das Originalsignal formt die Hüllkurve. Bei diesem Beispiel wird ein Modulationsgrad von 50% (m=0,5) verwendet. Das heißt, die Amplitude des Trägers sinkt im minimalen Fall auf 50% des nominellen Wertes und steigt auf 150% im maximalen Fall.

Abbildung 9: Amplitudenmoduliertes Signal
\includegraphics{bilder/modulation_amplitude.eps}

Bei Zweiseitenband-Amplitudenmodulation beträgt die erforderliche Hochfrequenzbandbreite das Doppelte der höchsten Frequenz des Originalsignals.

$\displaystyle W_{2seitig} = 2\cdot f_{max}$

Bei der Einseitenband-Amplitudenmodulation ist nur die Hälfte dieser Bandbreite erforderlich.

$\displaystyle W_{1seitig} = f_{max}$

Daher ist die Einseitenband-Variante von Vorteil. Die geringe Bandbreite wirkt sich auch auf das Rauschen und die Leistungsbilanz positiv aus. Demgegenüber steht der Nachteil des relativ großen gerätemäßigen Aufwandes.

Frequenzmodulation:

Im Gegensatz zur Amplitudenmodulation, bleibt bei der Frequenzmodulation die Amplitude des Trägers konstant. Der momentane Wert des Originalsignals beeinflusst, wie in Abbildung 10 dargestellt, die Frequenz des Trägers. Unter der Annahme eines cosinusförmigen Originalsignals berechnet sich die modulierte Welle aus:

$\displaystyle f(t) = A \cdot \cos(\omega_T\cdot t + \Delta \omega \int f_S(t)dt ) $

für $ f_S(t) = \cos(\omega_S \dot t)$ ergibt sich für $ \Delta \omega \int f_S(t)dt = \beta \cdot \sin(\omega_S \cdot t)$ und damit:

$\displaystyle f(t) = A \cdot \cos(\omega_T\cdot t + \beta\cdot \sin(\omega_S\cdot t) ) $

mit:

$ A$: Amplitude des Trägers
$ f_S(t)$: Originalfrequenz
$ \beta$: Modulationsindex(Das Verhältnis von $ \Delta\omega/ \omega_S)$
$ m_F$: Modulationsgrad (Das Verhältnis von $ \Delta\omega/ \omega_T)$
$ \omega_T$: Kreisfrequenz des Trägers
$ \omega_S$: Kreisfrequenz des Originalsignals
$ t$: Zeit

Abbildung 10: Frequenzmoduliertes Signal
\includegraphics{bilder/modulation_frequenz.eps}

Die erforderliche Bandbreite liegt bei der Frequnzmodulation mit

$\displaystyle W = 2 \cdot f_S \cdot (2+\beta)$    für $\displaystyle \beta \ll 1 $

bzw.

$\displaystyle W = 2 \cdot f_S \cdot (1+\beta)$    für $\displaystyle \beta < 1 $

etwas höher als bei der Amplitudenmodulation.

Da bei Frequenzmodulation das Originalsignal in der Veränderung der Frequenz eingebettet ist, sind äußere Störungen wie atmosphärische Störungen oder vorbei fahrende Autos, die sich auf die Amplitude auswirken, weitgehend unwirksam. Kleine Schwankungen der Amplitude haben keinen Einfluss auf die Qualität der Übertragung.

Phasenmodulation

Analog zur Frequenzmodulation bleibt bei der Phasenmodulation die Amplitude des Trägersignals konstant. Das Originalsignal bewirkt eine Veränderung der Phase des Trägers um den Maximalwert $ \pm \Delta \Phi$. Die modulierte Welle berechnet sich aus folgender Gleichung:

$\displaystyle f(t) = A \cdot \cos(\omega_T\cdot t + \Delta \Phi \cdot f_S(t)) $

für $ f_S(t) = \sin(\omega_S\cdot t)$ ergibt sich:

$\displaystyle f(t) = A \cdot \cos(\omega_T\cdot t + \Delta \Phi \cdot \sin(\omega_S\cdot t))$

mit:

$ A$: Amplitude des Trägers
$ f_S(t)$: Originalfrequenz
$ \Delta \Phi$: Phasenhub
$ \omega_T$: Kreisfrequenz des Trägers
$ \omega_S$: Kreisfrequenz des Originalsignals
$ t$: Zeit

Abbildung 11: Phasenmoduliertes digitales Signal
\includegraphics{bilder/modulation_phase.eps}

Die erforderliche Bandbreite für Phasenmodulation beträgt:

$\displaystyle W = 2 \cdot f_S \cdot \Delta \Phi$ für $\displaystyle \Delta \Phi \gg 1$

bzw.

$\displaystyle W = 2 \cdot f_S \cdot (1+\Delta \Phi)$    für $\displaystyle \Delta \Phi < 1 $

Wie bei der Frequenzmodulation ist auch eine phasenmodulierte Übertragung sehr unempfindlich gegen Störungen.

Die Phasenumtastung (PSK) ist ein Sonderfall der Phasenmodulation. Das Eingangssignal kann nur diskrete Werte annehmen. Dadurch kann auch die Phase des Trägers nur bestimmte Werte annehmen. Die Abbildung 11 veranschaulicht diesen Vorgang. Im binären Fall (2-PSK) mit einem Phasenhub von 180^&cir#circ; vereinfachen sich die Gleichungen derart, dass bei einem Wechsel des Eingangssignals einfach ein Polaritätswechsel bewirkt wird.

Man kann das Verfahren bis zu 16-PSK verfeinern (Sprünge in 20^&cir#circ; Schritten). Das Verfahren lässt sich aber nicht beliebig steigern, denn noch größere Werte führen zur einer erhöhten Fehlerrate.

Pulsmodulation

Ist die verfügbare Bandbreite deutlich größer als für einen Teilnehmer notwendig, können sich mehrere Teilnehmer einen Kanal teilen. Eine Möglichkeit ist es, die Information in kleinen Paketen zu versenden und ansonsten den Kanal nicht zu belegen, so dass andere Teilnehmer senden können (Zeitmultiplexing). Zur Kodierung kann eine der oberen Methoden (bevorzugt eingesetzt: PSK-Verfahren) verwendet werden. Da die Energie so nur pulsweise abgegeben wird, nennt man dieses Verfahren Pulsmodulation.

Abbildung 12: Pulsmoduliertes Signal
\includegraphics{bilder/modulation_puls.eps}

Interferenz

Unter Interferenz versteht man die Überlagerung zweier oder mehrerer Wellenzüge mit fester Phasenbeziehung (der Unterschied zwischen den Phasen der Schwingungen bleibt also konstant). Interferenzerscheinungen können beim Zusammentreffen aller Arten von Wellen, zum Beispiel Wasserwellen, Dauerwellen oder elektromagnetischen Wellen, auftreten.

Bei der konstruktiven Interferenz treffen die Wellen mit ungefähr gleicher Phase aufeinander, so dass in der Summe eine Verstärkung stattfindet. (Abbildung 13)

Bei der destruktiven Interferenz treffen die Wellen mit ungefähr entgegengesetzter Phase aufeinander, so dass sie sich gegenseitig abschwächen. Bei exakter Gegenphase findet sogar eine Auslöschung statt. (Abbildung 14)

Abbildung 13: Konstruktive Interferenz
\includegraphics{bilder/interferrenz_1.eps}

Abbildung 14: Destruktive Interferenz
\includegraphics{bilder/interferrenz_2.eps}

Bei elektromagnetischen Wellen tritt so gut wie immer Interferenz auf, denn aufgrund von Reflexionen, zum Beispiel an Wänden oder Beugung an Türöffnungen, entstehen zusätzliche Wellen, die den Empfänger dann gegebenfalls stören könnten. Je nach verwendetem Modulationsverfahren dürfen diese Störungen ein gewisses Maß nicht übersteigen, da sonst die Information verfälscht wird.

Bei den PSK-Verfahren, die üblicherweise bei digitaler Datenübertragung eigesetzt werden, muss die Stärke des Störsignals 3dB kleiner (also maximal die halbe Amplitude besitzen) als das des Originalsignals sein, um eine fehlerfreie Übertragung zu garantieren. Dieses Verfahren ist also sehr robust gegen äußere Störungen.

Die Interferenz kann aber auch zur Verbesserung der Richtcharakteristik verwendet werden. Wird eine Dipolgruppe wie in Abbildung 15 gleichphasig angesteuert, so verstärken sich die Wellen, die die Dipolgruppe senkrecht verlassen. Entlang der Dipolgruppe löschen sich die Wellen aus. Bei gegenphasiger Ansteuerung ist der Effekt genau umgekehrt. Abhängig vom Phasenunterschied lassen sich ebenfalls alle andere Winkel einstellen. So kann man ohne die Antenne mechanisch zu verändern, alleine durch andere Ansteuerung, die bevorzugte Strahlrichtung beeinflussen. Dies kann genutzt werden, um beispielsweise direkt in die Richtung eines Empfänger zu strahlen, wodurch die Sendeenergie verringert werden kann. Dieses Verfahren funktioniert auch mit bewegten Teilnehmern, der technische Aufwand ist jedoch groß.

Abbildung 15: Richtungscharakteristik einer Dipolgruppe
\includegraphics{bilder/dipol_gruppe2.eps}

Typische Feldstärken

Mikrowellenherd, Abstand 5 cm 5 000 $ \mu W/cm^2$
Handy, 2 Watt, 10 cm vom Kopf entfernt 2 500 $ \mu W/cm^2$
500 kW Fernsehsender, Entfernung 100 m 600 $ \mu W/cm^2$
Grenzwert nach Bundesemissionsschutzgesetz 200 $ \mu W/cm^2$
D-Netz-Basisstation, 50 W, 3 m Entfernung 65 $ \mu W/cm^2$
500 kW Fernsehsender, Entfernung 1 km 6,5 $ \mu W/cm^2$
EEG-Änderungen bei periodisch gepulsten Signalen (150 MHz) 1 $ \mu W/cm^2$
D-Netz-Basisstation, 50 W, 30 m Entfernung 0,65 $ \mu W/cm^2$
D-Netz-Basisstation, 50 W, 63 m Entfernung 0,1 $ \mu W/cm^2$
Baubiologische Empfehlung für Schlafplätze 0,1 $ \mu W/cm^2$

Biologische Wirkung von elektromagnetischen Wellen

Es wird zwischen thermischer und nicht-thermischer Wirkung unterschieden. Thermische Wirkung bedeutet Wärmeentwicklung aufgrund der Einstrahlung. Sie erfolgt nur bei sehr hohen Feldstärken und wird beispielsweise bei der Kurzwellenbestrahlung zu Therapiezwecken benutzt, um innere Organe zu erwärmen, an die man auf andere Weise nicht herankommt. Gefährdet aufgrund von Wärmeentwicklung sind jedoch Organe wie Hoden oder Augenlinse, die schlecht durchblutet sind und eine vergleichsweise geringe Wärmeableitung aufweisen. Die Gefährdung der Augenlinse durch Wärmeentwicklung kann schon beim Gebrauch eines der vor einigen Jahren noch üblichen 5- Watt-Handys, das dicht am Kopf benutzt wird, auftreten.

Nicht-thermische Wirkungen treten jedoch schon bei wesentlich geringeren Feldstärken auf. Unter Bestrahlung mit hochfrequenten Wellen wurden in Tierversuchen Verhaltensänderungen und, speziell bei Ratten, eine erhöhte Neigung zur Tumorbildung festgestellt. Typische Auswirkungen auf den menschlichen Organismus sind Müdigkeit, Agressivität, Schlafstörungen, Nervosität, Herzrhythmusstörungen sowie ein allgemeines Schwächegefühl. In einer Studie wurden drei Gruppen von Anwohnern in der Nähe des Senders Schwarzenburg (Schweiz) nach unterschiedlichen Aspekten ihres Befindens befragt. Die drei Gruppen unterschieden sich durch die Entfernung vom Sender: hohe Exposition bis 1 km, mittlere Exposition bis 2,5 km und niedrige Exposition bis 5 km. Bei der zweiten und erst recht bei der ersten Gruppe ergab sich gegenüber der dritten Gruppe eine deutliche Zunahme von Beschwerden wie Nervosität, Ein- und Durchschlafstörungen, Glieder- und Gelenkschmerzen und einer allgemeinen Schwäche. Bekannt geworden sind Experimente von Varga, der Hühnereier mit einer Feldintensität von 1,5 $ mW/cm^2$ bestrahlte und die Embryonen dadurch so beschädigte, dass kein Küken mehr ausschlüpfte.

Der Wissenschaftler von Klitzing beobachtete bei Versuchspersonen neue Schwingungen im Gehirnwellenmuster nach hochfrequenter Feldeinwirkung bei einer Bestrahlungstärke von 1 $ µW/cm^2$. Bemerkenswert ist, dass die Änderung im Gehirnwellenmuster nur bei Einwirkung gepulster Strahlung, wie sie bei den D- und E-Mobilfunknetzen angewendet wird, zu beobachten war; bei Einwirkung nichtgepulster Strahlung trat keine Veränderung auf.

All diese Ergebnisse sind trotzdem mit gewisser Skepsis zu betrachten, denn die Art, wie elektromagnetische Wellen auf lebendige Materie einwirken, sind weitestgehend unbekannt. Somit muss man sich bei den Versuchen zum Beispiel auf das Wohlbefinden der Probanden verlassen, welches jedoch noch von vielen weiteren Faktoren beeinflusst wird. Viele Menschen haben auch einfach Angst vor Funkwellen, so dass der bloße Blick auf eine (ausgeschaltete) Antennenanlage zur sofortiger Verschlechterung des Wohlbefindens führt.

Hier muss demnach noch weitere Grundlagenforschung stattfinden, bevor Aussagen über die (Un-) Gefährlichkeit elektromagnetischer Wellen gemacht werden können.

Literaturangabe

[1] Alexander von Weiss, Die elektromagnetischen Felder, 1983

[2] Heinz Schilling, Elektromagnetische Felder und Wellen, 1974

[3] Klaus-Dieter Becker, Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, 1974

[4] http://www.ict.fhg.de/deutsch/projects/production/mwp/grundl.html

[5] http://www.innopro.de/maxwellgleichungen.htm

[6] http://www.wohngesundheit.de/gelb/hoch.html

[7] http://vulcain.fb12.tu-berlin.de/ILR/Aquarius/Telemetrie/modulation_analog.html

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