Sicherheitsabstände für Amateurfunkanlagen ermitteln

Was ermittelt wird

Wie weit müssen Menschen von deiner Antenne entfernt bleiben, damit die Grenzwerte eingehalten sind? Diesen Abstand ermittelst du selbst. Beispiel ist der Halbwellendipol für 14,2 MHz.

Der Abstand zwischen einer einzelnen Sendeantenne und dem Bereich, in dem die Grenzwerte aus Lektion 1 eingehalten werden, nennt die BEMFV systembezogenen Sicherheitsabstand^[1]. Wo er liegen darf und was weitere Funkanlagen am Standort ändern, zeigt Lektion 4.

Die BEMFV verlangt, ihn rechnerisch oder messtechnisch auf der Grundlage der Norm DIN EN 50413 zu ermitteln und nachvollziehbar zu dokumentieren^[2]. Die Bundesnetzagentur nennt dafür fünf Verfahren^[3]:

1. ihr Programm Watt-Wächter,
2. das vereinfachte Verfahren mit Tabellen aus einer Studie,
3. die Feldstärkemessung,
4. die Fernfeldberechnung mit einer Formel,
5. die Nahfeldberechnung mit einem numerischen Programm.

Watt-Wächter rechnet das Nahfeld aus NEC-Simulationen und addiert den am Boden reflektierten Weg. Der Bereich über den Grenzwerten hat im Allgemeinen eine komplexe Form und muss nicht zusammenhängen. Für die Anzeige, die eine Zahl verlangt, gibt das Programm standardmäßig die größte Ausdehnung dieses Bereichs an, bezogen auf den Einspeisepunkt der Antenne^[4].

Was in die Rechnung gehört

Für jede Sendekonfiguration gehören diese Angaben in die Dokumentation^[3]:

• Antennentyp und Gewinn in dBi (Modul 8, Lektion 3), Höhe der Unterkante über Grund, Hauptstrahlrichtung,
• Betriebsfrequenz, bei einem genutzten Bereich die mit dem größten Sicherheitsabstand,
• Senderleistung als PEP,
• Verluste zwischen Senderausgang und Antenneneingang,
• Sendeart mit ihrem Umrechnungsfaktor, bei Bedarf ein Faktor für die Sendezeit und eine belegte Winkeldämpfung.

Anzugeben ist je Band die ungünstigste Kombination aus Sendeleistung, Antennengewinn und Zuleitungsverlusten, die mit dem größten Sicherheitsabstand^[3]. In die Formel geht die Leistung ein, die der Antenne zugeführt wird, also die Senderleistung abzüglich der Verluste davor^[5]. Mit dem Gewinn ergibt sich daraus die EIRP (Lektion 1).

Aus der Frequenz folgt der Grenzwert (Lektion 1). Die Beispiele rechnen auf 14 MHz, oberhalb von 10 MHz, bis wohin Anhang 1a der 26. BImSchV zusätzliche Werte nennt^[6]. Die Werte für aktive Körperhilfen gelten dagegen auch hier (Lektion 4), die Beispiele zeigen nur den Abstand für die 26. BImSchV.

Die Fernfeldformel und ihre Grenze

Im Fernfeld folgt die Feldstärke aus der Leistungsdichte, die mit dem Quadrat des Abstands fällt (Modul 8, Lektion 3), über den Feldwellenwiderstand des freien Raums $Z_0 = 120\pi\ \Omega$. Der Abstand, an dem die elektrische Feldstärke auf den Grenzwert $E_g$ gesunken ist, lautet ohne Winkeldämpfung mit $Z_0/4\pi = 30\ \Omega$^[5]:

$$r = \frac{\sqrt{30\ \Omega \cdot P \cdot G_i}}{E_g}$$

$P$ ist die gemittelte Leistung am Antenneneingang, $G_i$ der Gewinn gegen den isotropen Strahler als Faktor.

Ein Beispiel: Ein Halbwellendipol für 14,2 MHz hängt 6 m hoch, gesendet wird mit 100 W PEP in SSB über ein Kabel mit 1 dB Verlust. Gerechnet ist ohne Abschlag für Betriebsart und Sendezeit, für SSB ist der Faktor FmodPers 1 (Abschnitt "Betriebsart und Sendezeit"). Am Antenneneingang kommen 79 W an, mit 2,15 dBi sind das 130 W EIRP. Die Formel ergibt mit 28 V/m rund 2,2 m (12db-Rechnung).

Die 2,2 m liegen aber dort, wo die Formel nicht gilt. Die Bundesnetzagentur setzt das reaktive Nahfeld bis zum Abstand $\lambda/2\pi$ an, auf 14,2 MHz rund 3,4 m. Darin kann es lokal zu starken Überhöhungen beider Felder kommen, die die Formel nicht erfasst, deshalb ist eine Fernfeldberechnung dort nicht zulässig^[5].

Physikalisch ist $\lambda/2\pi$ keine scharfe Grenze (Modul 1, Lektion 1), im Verfahren wird die Formel darunter nicht verwendet, darüber prüfst du, ob sie passt.

Das Fernfeld bildet sich bei Drahtantennen auf der Basis von Halbwellen- und Viertelwellendipolen erst in etwa 4 λ aus^[5], auf 20 m in rund 84 m. Dazwischen liegt das strahlende Nahfeld. Dort liefert die Formel für die meisten Antennenformen zu große Abstände, also Werte auf der sicheren Seite.

Eine magnetische Antenne und andere Antennen, die klein gegen die Wellenlänge sind, erzeugen dort aber stärkere Felder als berechnet^[5], und Metall in der Nähe kann das Feld örtlich erhöhen (Lektion 1).

Für den Dipol des Beispiels ergibt das vereinfachte Verfahren aus der Tabelle, zwischen 50 und 100 W interpoliert, rund 2,3 m. Die Studie sieht vor, das Ergebnis mit einem Faktor für Boden und Höhe zu multiplizieren, auf 14 MHz in 6 m Höhe 1,58, und empfiehlt den Sicherheitsfaktor 1,4^[7]. Dann sind es rund 5,1 m (12db-Rechnung). Zahlen wie diese zeigen das Verfahren, eine Anlage weisen sie nicht nach (Lektion 4).

Betriebsart und Sendezeit

Die Grenzwerte nach Anhang 1b, die hier gelten, sind Effektivwerte, quadratisch gemittelt über 6-Minuten-Intervalle^[6]. Die Feldstärke an einem Ort wächst mit der Wurzel der eingespeisten Leistung, das Mittel ihres Quadrats folgt also der mittleren Leistung in diesen sechs Minuten. In die Rechnung gehört deshalb die über sechs Minuten gemittelte Leistung.

Die 30 Minuten aus Lektion 1 sind die Mittelungszeit der ICNIRP für den ganzen Körper, für die Grenzwerte der 26. BImSchV zählen die sechs Minuten. Das Verfahren bildet sie aus der PEP mit zwei Faktoren:

1. Der Faktor FmodPers rechnet die PEP einer Sendeart in ihre mittlere Leistung um. In der Liste der Bundesnetzagentur ist er für CW, FM, SSB und die aufgeführten Fernschreib- und Datenverfahren 1, für AM 0,38. Zu SSB gibt die Liste einen Hinweis aus DIN EN 50413 wieder: Vorausgesetzt wird, dass mit einem Ton in einem Seitenband die Spitzenleistung erreicht werden kann^[3]. Das Mittel von Sprache liegt physikalisch unter der PEP, das Verfahren rechnet trotzdem mit 1, gleich wie ausgesteuert wird.
2. Der Faktor FB ist die Gesamtsendezeit in einem 6-Minuten-Abschnitt geteilt durch 6 Minuten. Ansetzen darfst du ihn nur, wenn die Bedingungen, die zu ihm geführt haben, bei allen Sendeaktivitäten eingehalten werden^[5].

Sendest du in Durchgängen von zwei Minuten und hörst danach eine Minute, sind es in jedem 6-Minuten-Abschnitt vier Minuten Senden, FB ist 4/6. Liegt die Länge der Durchgänge nicht fest, wie in einem freien Gespräch, gibt es keine Bedingung, die du einhalten könntest. Ein FB unter 1 lässt sich dann nicht begründen.

Die Betriebsarten von WSJT-X senden mit konstanter Hüllkurve^[8], während der Aussendung also mit der PEP. Sie stehen nicht in der Liste, Watt-Wächter setzt den Faktor für alle Sendearten außer AM auf 1^[4]. Ihr Mittel liegt wegen der Pausen unter der PEP, und die stecken in FB.

Mehr Leistung, größerer Abstand

Wo die Fernfeldformel gilt, wächst der Abstand mit der Wurzel der gemittelten Leistung: Zehnmal so viel Leistung ergibt rund den 3,2-fachen Abstand, nicht den zehnfachen. Was ein Strahler frei nach allen Seiten abgibt, verteilt sich auf eine Kugelfläche, die mit dem Quadrat des Abstands wächst^[9]. Das kennst du von einer kleinen Lampe: Leuchtet sie viermal so stark, musst du doppelt so weit weg, damit bei dir gleich viel ankommt. Wie die Formel trägt das Bild im Fernfeld, nahe der Antenne nicht.

Die Tabellen der Studie, die das Nahfeld berücksichtigen, nennen für den Halbwellendipol auf 14,175 MHz bei 50 W 1,9 m und bei 1000 W 8,1 m, ohne Faktor für Boden und Höhe und ohne Sicherheitsfaktor^[7]. Was mehr Leistung für die Anzeige bedeutet, zeigt Lektion 4.