Breitband-Messgeräte für Funksignale – grosse Bandbreite an Messergebnissen

Artikel aus: Baubiologie-Magazin.de vom 18.02.2022

Sie heißen Elektrosmog-Meter, -Analyzer, -Detector, -Tester oder auch -Spion. Sind die Anzeigen der vielen kleinen Breitbandmessgeräte verlässlich und belastbar?

Breitband-Messgeräte zur Messung von Hochfrequenz werden in großer Zahl und oft recht preiswert unter Bezeichnungen wie Elektrosmog-Meter, -Analyzer, -Detector, -Tester oder -Spion angeboten. Sie zeigen Messergebnisse an mit numerischen Displays, LED-Ketten mit daneben aufgedruckten Mikrowatt pro Quadratmeter [µW/m2] bzw. Volt pro Meter [V/m] oder auch nach dem einfachen „Ampelprinzip“ nur bunte LEDs ohne irgendeine Zahlenangabe. Möchte man bei den Letztgenannten konkrete Immissionswerte haben, so muss man mit Hilfe einer Tabelle aus den bunten Lichtpunkten die Zahlenwerte ermitteln. In der Werbung findet man häufig den Zusatz „professionell“ – über Messunsicherheiten jedoch so gut wie keine Angaben. Dabei ist genau dies ein wichtiger Punkt, der hier ausführlich untersucht wird. Dazu stellen sich folgende Fragen:

  • Sind die Messwerte der verschiedenen Geräte bei unterschiedlichen Funksignalen – zumindest annähernd – identisch?
  • Stimmen die Messwerte mit den Messergebnissen der Spektrumanalyse überein?
  • Sind die Messwertanzeigen verlässlich und belastbar, oder handelt es sich eher um grob orientierende Angaben?

Diese Fragen wurden von den Autoren im August 2021 im Rahmen eines IMS-Workshops [1] „Breitbandmessgeräte“ in einem Gerätevergleichstest untersucht. 18 marktgängige Typen der „Elektrosmog-Messgeräte“ wurden hinsichtlich ihrer Anzeige der Signale von sechs unterschiedlichen Funkdiensten geprüft.

Um verlässliche, belastbare und vergleichbare Untersuchungsergebnisse zu erzielen, ist ein definierter „Ablauf der Messungen“ entscheidend (Beschreibung siehe Infokasten).

Ablauf der Messungen

Die für die Untersuchung verwendeten Hochfrequenz-Signale unterscheiden sich ganz bewusst deutlich hinsichtlich Trägerfrequenz, Bandbreite, Signalcharakteristik (wie z.B. Pulscharakter) und Crestfaktor [2]. Die Messungen erfolgten unter alltagsüblichen Bedingungen in einem Wohnzimmer ohne relevante Hintergrundbelastung durch Hochfrequenz-Signale. Als Signalquellen dienten ein handelsüblicher WLAN-Router im Frequenzband 2,4 GHz, der einmal im Standby und zum anderen mit Datentransfer betrieben wurde, ein DECT-Schnurlostelefon (1.880 – 1.900 MHz) und zwei Labor-Signalgeneratoren, mit welchen die normgerechten Signale für Digitalfernsehen DVB-T und Mobilfunk LTE 700 erzeugt wurden, außerdem ein unmoduliertes Trägersignal bei 1.845 MHz.

Alle Messungen wurden von derselben Person durchgeführt. Mit jedem Gerät wurden in definiertem Abstand bei jedem Funkdienst nacheinander drei Messungen gemäß der Schwenkmethode [3] durchgeführt, um die statistische Sicherheit zu erhöhen und zufällige Ausreißer zu erkennen; für die Auswertung wurde jeweils der arithmetische Mittelwert der drei Messergebnisse herangezogen. Sofern die untersuchten Geräte über eine „Max Hold“-Funktion (Maximalwertspeicher) verfügen, wurde diese eingeschaltet. Bei Geräten, die eine Wahlmöglichkeit zwischen Hoch- und Niederfrequenz bieten, wurde nur die Hochfrequenz-Funktion aktiviert.

Von den 18 Gerätetypen standen bei 7 Typen jeweils zwei Exemplare zur Verfügung; hier wurden beide Exemplare untersucht, die Messergebnisse dieser „Zwillingsexemplare“ zeigten eine hohe Übereinstimmung, deshalb werden alle Gerätetypen nur einmal dargestellt. Zur Quantifizierung der Messunsicherheit dienten entsprechende Messergebnisse mittels Spektrumanalyse [4] als Referenz.

Besonderheiten der Darstellung gibt es beim Envionic FA735 und beim Endotronic HF-Digitmeter. Die Anzeigen dieser beiden Geräte wurde nach zwei verschiedenen, von den Herstellern angegebenen Methoden ausgewertet [5].

Untersuchungsergebnisse

Da die Sendeleistungen und das Abstrahlverhalten der verwendeten Signalquellen unterschiedlich sind, ergeben sich auch unterschiedliche absolute Pegel am Messpunkt. Um einen Vergleich der Geräte zu ermöglichen, der vom absoluten Pegel unabhängig ist, wurden die Messwerte der untersuchten Geräte auf die entsprechenden Messergebnisse der Spektrumanalyse als Referenzwerte bezogen und somit in Prozent umgerechnet (normiert). Idealerweise sollten alle normierten Werte der Geräte um 100 % liegen.

Aber wenn Geräte nicht bei allen Signalen die 100 % erfüllen sollten, so wäre es hilfreich, wenn sie zumindest bei allen Funkdiensten die gleiche Messunsicherheit aufwiesen, also konstant z.B. 70 % oder 80 % des Spektrumanalysewertes anzeigten. Und natürlich sollte die Abweichung vom Messwert der Spektrumanalyse sich in Maßen bewegen und nicht mehrere Größenordnungen betragen.

Anhand der in den folgenden Abbildungen 1 bis 3 dargestellten Messergebnisse ist aber auf einen Blick ersichtlich, dass die von den verschiedenen Geräten angezeigten Werte leider in einer Spannbreite von weniger als 0,1 % bis über 1.000 % differieren und auf unterschiedliche Funkdienste mit unterschiedlichen Anzeigen reagieren.

breitband messgeraete 1
(1) Ergebnisse der Messungen, normiert auf die jeweiligen Referenzwerte der Spektrumanalyse, gesamter Auswertebereich bis 1.100 %. Die dunkelgrüne, gestrichelte horizontale Gerade entspricht dem Referenzwert (= 100 %), die beiden rot gestrichelten Linien zeigen das Toleranzband von +/-3dB (Faktor 2 bzw. ½, entsprechend 200 % bzw. 50 % des Referenzwertes)
image 1
2) Ergebnisse der Messungen wie in Abb. 1, aber Auswertebereich reduziert auf 600 %, um die Unterbewertungen besser zu verdeutlichen.
breitband messgeraete 3
(3) Ergebnisse der Messungen wie in Abb. 1 und 2, aber Auswertebereich reduziert auf 100 %, um auch die starken Unterbewertungen besser zu verdeutlichen.

In einem bunten Mix ist dort alles Mögliche an Unter- und Überbewertungen im Vergleich zu den Referenzwerten zu finden. Zudem gibt es kein Gerät, das bei allen hier untersuchten Signalen einheitlich die gleichen Über- oder Unterbewertungen aufweist. Daher kann auch kein einheitlicher Korrekturfaktor angewendet werden. Hinzu kommt, dass in der Praxis meist ein Mix unterschiedlicher Signale anzutreffen ist.

Am realistischsten sind bei den meisten Geräten noch die Messergebnisse beim DECT-Signal, sogar mit einer Tendenz zur Überbewertung. Die breitbandigen Funkdienste mit einem Crestfaktor in der Größenordnung von ca. 10 dB – wie DVB-T und LTE – werden dagegen oft deutlich bis massiv unterbewertet. Hier zeigen die meisten Geräte weniger als 10 % des Referenzwertes an, manche auch nur 1 % oder gar 0,1 % des Referenzwertes.

Was darüber hinaus zu beachten ist?

Die aus Abb. 1 bis 3 ersichtlichen Unter- und Überbewertungen stellen die gerätebedingten Messunsicherheiten dar. Bei Mobilfunksystemen, deren Sendeleistungen ja nicht konstant sind, sondern auslastungsabhängig zwischen Minimalwerten (Leerlauf, ohne Verkehrslast) und Maximalwerten (Volllast) schwanken, ist in der Messpraxis noch folgender weiterer Faktor zu berücksichtigen: Da man bei der Breitbandmesstechnik nämlich nicht weiß, bei welchem Auslastungsgrad der Mobilfunksysteme tatsächlich gemessen wurde, kommt die auslastungsabhängige Messunsicherheit noch hinzu. Diese zusätzliche Messunsicherheit in der Größenordnung des Faktors vier lässt sich bei GSM und LTE vielleicht noch verschmerzen. Beim Mobilfunksystem 5G NR dagegen kann der Unterschied zwischen Minimum und Maximum bis zu einem Faktor von 250 betragen! Details hierzu siehe [A].

Und schließlich ist in der Praxis noch zu berücksichtigen, dass sowohl bei LTE als auch bei 5G NR die Verkehrskanäle über zwei senkrecht zueinander stehende Antennenelemente abgestrahlt werden (2-fach MIMO). Diese beiden orthogonalen Komponenten können aber nur mit echt isotropen (3D) Antennen gleichzeitig gemessen werden, wie sie typischerweise nur in professionellen Industriegeräten zum Einsatz kommen. Mit den in der hier untersuchten Geräteklasse üblichen, nicht isotropen Antennen wird nur die Hälfte der Strahlungsdichte erfasst; die gemessene Strahlungsdichte muss also mit dem Faktor zwei multipliziert werden.

Ein weiterer Gesichtspunkt, der hier nicht näher betrachtet wird, der für die Praxis aber auch bedeutend sein kann, ist der Frequenzbereich, den die Geräte erfassen. Viele Geräte messen erst ab Frequenzen von mehreren hundert Megahertz aufwärts bis ca. 3 GHz. Damit bleiben sowohl Funkdienste mit Frequenzen über 3 GHz unentdeckt (z.B. 5G mit aktivem Beamforming, WLAN 5 GHz und WLAN 6 GHz) als auch Immissionen im unteren Hochfrequenzbereich, wie das immer häufiger anzutreffende NFC (Near Field Communication). NFC arbeitet auf der Frequenz 13,56 MHz und wird typischerweise an Kassen für die kontaktlose Bezahlfunktion von EC-Karten eingesetzt, aber zunehmend auch im Haushaltsbereich, wie z.B. bei der Toniebox für Kinder zur Wiedergabe von Liedern und Hörspielen [C].

Fazit

Für so manche, durch Hochfrequenzstrahlung betroffene Personen spielen die Abweichungen vom Referenzwert möglicherweise keine bedeutende Rolle. Sie können rasch auch mit einem vergleichsweise ungenau messendem Gerät die aktuelle Hochfrequenzsituation orientierend überprüfen. Zusätzlich ermöglicht so manches Gerät bei Kenntnis des funkdiensttypischen Geräuschmusters [B] über die akustische Diagnose die Identifizierung der Ursache bzw. lokalen Quelle.

Zusammenfassend ist aber auch zu sagen, dass keines der getesteten Geräte bei allen Signalen Strahlungsdichten anzeigte, die den Referenzwerten der deutlich genaueren Spektrumanalyse entsprechen. Für die Ermittlung von verlässlich quantifizierten Messwerten sollten solche Geräte daher besser nicht herangezogen werden.

Autoren:
Dr.-Ing. Martin H. Virnich, Mönchengladbach
Dr.-Ing. Dietrich Moldan, Iphofen
Dipl.-Ing. Karin Beutler, Kleinmachnow
Wir danken Urs Raschle und Roman Schilling für die hilfreiche Unterstützung bei der Durchführung der Messungen. Bei der Firma Rohde & Schwarz und der Fachhochschule Deggendorf bedanken wir uns für die freundliche Ausleihe der Signalgeneratoren für DVB-T und LTE. Zudem danken wir den Kollegen, die uns ihre Breitbandmessgeräte für die Untersuchung zur Verfügung gestellten haben.

Verweise und weiterführende Literatur:
[1] IMS: Iphöfer Messtechnik-Seminare, Dr. Dietrich Moldan.
[2] Der Crestfaktor bezeichnet das Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert eines Signals. Bei unmodulierten Signalen (Trägersignal) und rein frequenzmodulierten Signalen (z.B. UKW-Tonrundfunk) sind beide Werte gleich groß, der Crestfaktor beträgt hier also 1 (bzw. 0 dB). Funksysteme wie DVB-T, LTE oder WLAN arbeiten dagegen mit Signalen, bei denen sich Spitzenwert und Effektivwert der Leistung um einen Faktor von ca. 10 bis 20 unterscheiden (entsprechend ca. 10 bis 13 dB). Der Crestfaktor bei DECT-Impulsen beträgt ca. 1 resp. 0 dB.
[3] Bei der Schwenkmethode wird mit der Messantenne systematisch ein begrenztes Raumvolumen in allen Polarisationsebenen abgetastet, um die durch Interferenzen bedingten lokalen Immissionsmaxima zu erfassen. Mit dem Maximalwertspeicher (Max Hold) wird dabei der maximale Messwert festgehalten.
[4] Spektrumanalysator Rohde & Schwarz FSL 6 mit eingestelltem Peak-Detector (Spitzenwert) und Max Hold (Maximalwertspeicher); Messantenne Schwarzbeck SBA 9113 B; Antennenkabel Schwarzbeck AK9513 (3 m); alle Komponenten kalibriert.
[5] Beim Envionic FA735 sind zwei Ergebnisse aufgeführt, einmal mit dem Zusatz „dBm“ und einmal mit „µW/m2“. Das Gerät bietet beide Ablesemöglichkeiten, wobei man bei der Messung im Modus „dBm“ die dBm-Werte mit Hilfe einer Tabelle in µW/m2 umrechnen muss. Der Hersteller weist selbst darauf hin, dass die bequem direkt ablesbaren Werte in µW/m2 bis zum Faktor 100 ungenauer sein können als die dBm-Werte.
Beim Endotronic HF-Digitmeter sind ebenfalls zwei Ergebnisse aufgeführt. Das erste zeigt die abgelesen Werte.
Beim zweiten mit dem Zusatz “Korr.“ wurden diese Werte mit den Korrekturfaktoren laut Bedienungsanleitung des Gerätes multipliziert: Faktor 10 bei LTE 700 und DVB-T, Faktor 20 bei WLAN und DECT.
[A] Martin H. Virnich: 5G Immissionsmessungen mit Breitbandmessgeräten der baubiologischen Messtechnik
im “baubiologie magazin” des Institut für Baubiologie + Nachhaltigkeit IBN
[B] Martin H. Virnich: Audio-Analyse von Funksignalen – Signalcharakteristiken und funkdiensttypische akustische Muster (interaktive DVD); Berufsverband Deutscher Baubiologen VDB e.V. (Hrsg.).
Für weitere Geräuschbeispiele (z.B. 5G NR, Toniebox) bitte scrollen bis „Zusätzliche Funksignale“
[C] Martin H. Virnich, Dietrich Moldan: Tonie’s Würfelfunk – Wann wird was gesendet?
im “baubiologie magazin” des Institut für Baubiologie + Nachhaltigkeit IBN

Artikel aus: Baubiologie-Magazin.de vom 18.02.2022

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.


  • Newsletter anfordern


  • URS RASCHLE  |  ELEKTROSMOG-ANALYSEN | BIO-ELEKTROTECHNIK® | ELEKTROBIOLOGIE | EMV-TECH · EMV/U | LEBENS-ENERGETIK

    CH - 9113 Degersheim | Hörenstrasse 1 | Telefon: +41 71 370 02 90 und +41 71 370 08 80  |  Mail: mail (ät) urs-raschle.ch  | >> Klick für direkt Kontaktaufnahme >>