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Zusammenfassung (Deutsch)

Untersuchungen zur Exposition eines Menschen durch die von Quellen in Kommunikationssystemen ausgehenden elektromagnetischen Hochfrequenz-Felder konzentrierten sich in der Vergangenheit häufig auf das Problem eines unmittelbar am Körper des Nutzers betriebenen Handys oder auf die im Bereich des Arbeitsschutzes wichtige Fragestellung des Sicherheitsabstandes zu Antennenstandorten von Rundfunk- oder Mobilfunk-Sendern.

Seit der Einführung neuer digitaler Funk-Technologien finden aber zunehmend auch mobile Kommunikationssysteme Verbreitung, bei denen die Strahlungsquellen weder weit vom Körper entfernt noch in unmittelbarem Körperkontakt angeordnet sind. Typische Beispiele sind Notebooks, die über integrierte Antennen UMTS-Signale aussenden, oder die Endgeräte von ‚Wireless LANs', die im Prinzip an jedem Punkt eines Raumes und somit in sehr unterschiedlichen Abständen von Personen installiert sein können.

Das wesentliche Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Exposition von Personen durch derartige körpernah betriebene Kommunikationsendgeräte. Dabei steht nicht, wie in manchen Studien, das Immissionsfeld - charakterisiert durch die externe Feldstärke oder Leistungsdichte - im Vordergrund, sondern die tatsächlich im menschlichen Körper absorbierte Hochfrequenzleistung - dargestellt durch die Spezifische Absorptionsrate (SAR). Die SAR hängt - neben der Sendecharakteristik der Quelle, wie Leistung, Nah- oder Fernfeld-Verteilung und Modulation - auch von der geometrischen Gestalt des Körpers und der räumlichen Verteilung der komplexen Gewebe-Permittivität, von Form und Größe des Mittelungsvolumens, von Abstand und Orientierung des Körpers zur Strahlungsquelle, von den Eigenschaften des umgebenden Raumes usw., kurz, von der Konfiguration der Gesamtanordnung ab. In Anbetracht der Vielzahl möglicher Konfigurationen scheidet ein experimenteller Ansatz aus Kostengründen von vorneherein aus. Die Untersuchungen werden daher mit Hilfe numerischer Berechnungen für drei nach klaren Kriterien ausgewählte Endgeräte durchgeführt, die in unterschiedliche Szenarien eingebettet sind. Dabei kommen vier verschiedene Menschmodelle (Erwachsener und Jugendlicher, jeweils sitzend und stehend) zum Einsatz. Als Rechenverfahren wird die Finite Differenzen - Methode im Zeitbereich, umgesetzt in einen parallelisierten Programmcode, verwendet. Die angewandte Vorgehensweise und die Rechenergebnisse werden dargestellt. Zusätzlich werden die denkbaren Prinzipien zur weiteren Reduzierung der SAR körpernaher Endgeräte unter Berücksichtigung der bis dahin vorgestellten Resultate untersucht.

Als weiteres Ziel dieser Arbeit wird ein modular aufgebautes, SAR-basiertes Berechnungsverfahren zur näherungsweisen Ermittlung der Exposition bei Einwirkung mehrerer verschiedenartiger Quellen auf eine Person beschrieben. Damit können die in Form eines Katalogs von Datenblättern vorliegenden SAR-Verteilungen, die aus Einzelberechnungen für konkrete körperberührende und körpernahe Quellen sowie für Fernfelder unterschiedlicher Frequenzen und Einfallsrichtungen gewonnen wurden, quellenspezifisch gewichtet und durch Superposition zu einer Summen-SAR zusammengefasst und hinsichtlich ihrer gemeinsamen Wirkung auf die Person bewertet werden.

Zusammenfassung (Englisch)

In the past, studies on human exposure to sources of high-frequency electromagnetic fields as used in communication systems often focused on the issue of a mobile phone operated in direct contact to the body of the user or on the important issue of occupational safety near antenna sites of radio or mobile stations. Since the introduction of new digital wireless technologies an increasing popularity of mobile communication systems has been occurred, with the radiation sources being neither far away from the body nor in direct physical contact.

Typical examples are notebooks emitting UMTS signals by built-in antennas, or the terminals of wireless LANs, which can basically be located at any point of a room and thereby at various distances from people.

The main focus of this study is the determination of human exposure by such communication devices operating near the human body.

Here, the emphasis is not on the immission fields characterized by the external field strength or power density as in some other studies, but on the actual power absorbed in the human body - expressed in terms of the Specific Absorption Rate (SAR).

The SAR depends - apart from the transmission characteristics of the source, such as radiated power, near- or far-field distribution and modulation - also on the geometric shape of the body and on the spatial distribution of the complex permittivity of tissues, on the shape and size of the averaging volume, on distance and orientation of the body to the radiation source, on the electrical properties of the environment, etc., in short, on the configuration of the overall arrangement.

Given the large number of possible configurations, an experimental approach has to be ruled out from the start for cost reasons. The investigations are carried out, therefore, with the help of numerical calculations applied to three types of devices, which are selected according to well-defined criteria and which are embedded in many different scenarios.

Four different human models (adult and adolescent, each sitting and standing) are employed in the computational procedure, which is based upon the finite difference time domain method implemented in a parallelized program code. The applied approach and the calculation results are presented. In addition, supposable principles for a further reduction of the SAR originating from the devices under consideration - taking into account the results presented so far - are investigated.

A further objective of this work is a modular, SAR-based calculation method for the approximate determination of a person's simultaneous exposure to several different sources. It makes use of a catalogue of data sheets with normalized partial-body SAR distributions which were obtained from computations for particular sources operating near the body and in body contact and for far fields of different frequencies and directions of incidence. By source-specific weighting and superposition of different individual SAR distributions taken from the data sheets, the total SAR and thereby the joint effect of multiple sources on a person can be assessed.

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