„Alles klar im Äther?“
Mit dieser Frage begrüßt Geschäftsführer Dr. Holger Altmaier uns Laboringenieure des Funklabors häufig. Und wir können sagen: „Alles klar!“
Ein Airbag, der auslöst, wenn man das Radio einschaltet? Klingt gefährlich. Damit genau so etwas nicht passiert, prüft Phoenix Testlab die Produkte von morgen und zertifiziert sie für ihre Hersteller. Was man da prüfen kann und wie solche Prüfungen durchgeführt werden, erzählen wir euch in unserer Phoenix Testlab-Reihe.
Was sich so im „Äther“ tummelt, ist wirklich beeindruckend: Von allgemein bekannten Funktechnologien, wie etwa Bluetooth oder WLAN, bis hin zu kaum bekannten, wie beispielsweise AIS (Automatic Identification System) in der Seeschifffahrt, gibt es eine große Anzahl an Systemen, die aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind. Obwohl Funktechnologien bereits längst in unserem Alltag integriert sind, nimmt ihre Bedeutung auch in naher Zukunft immer weiter zu. In aller Munde sind die Begriffe 5G und Industrie 4.0. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für den Erfolg von Industrie 4.0 ist eine sichere, schnelle und verfügbare Kommunikation. Dies ermöglicht u. a. 5G plattform- und technologieübergreifend, beispielsweise zwischen Maschinen oder deren Anwendern.
Digitales Funksystem
Zu einem Funksystem gehört neben dem Sender (Nachrichtenquelle) und Empfänger (Nachrichtensenke) immer auch die Antenne. Ohne sie könnten die Funkwellen nicht abgestrahlt und empfangen werden. Antennen gibt es in unglaublicher Vielfalt, je nach Anwendung von winzigen Strukturen auf Leiterplatten bis hin zu hausgroßen Radarantennen. Funk ist keine Einbahnstraße – ein Sender kann gleichzeitig auch Empfänger sein. Man spricht dann von einem Transceiver (aus Englisch: „Transmit“ and „Receive“). Dies macht Kommunikation wie z. B. ein Handytelefonat erst möglich. Das folgende Bild zeigt schematisch ein digitales Funksystem (der Einfachheit halber nur in eine Richtung).
Wie sehr auch ich mich an den Funk gewöhnt habe, erfahre ich immer dann schmerzlich, wenn ich mein geliebtes Smartphone zuhause vergessen habe und nicht schnell mal eine Nachricht per Mobilfunk oder WLAN übertragen kann. Überhaupt ist das Smartphone hinsichtlich der integrierten Funktechnologien beeindruckend: So verfügt es über LTE, UMTS, GSM, WLAN, Bluetooth, GNSS und NFC – und alles in einem sehr kleinen Gehäuse.
Man stelle sich nun vor, bei der großen Anzahl an Systemen gäbe es keine Norm, keine Zuteilung der Sendefrequenz, keine Begrenzung der Signalstärke etc. Die heutige, smarte Welt wäre undenkbar und das Smartphone mit den vielen Technologien, vereint in einem Gerät, nicht realisierbar. Dies ist vergleichbar mit dem Verkehrsfluss auf den Straßen, der ohne Verkehrsregeln nicht funktionieren könnte.
Hier kommt der Prüfingenieur ins Spiel: Er stellt sicher, dass anhand von Regularien und Normen jedes Funksystem in genau definierten Rahmenparametern arbeitet. Dafür ist die genaue Kenntnis der Standards aber auch eine umfangreiche Messtechnik erforderlich, da Funkwellen mit keinem menschlichen Sinn erfasst werden können. Weil dem so ist, liegt eine weitere Herausforderung im Schutz des Funknutzers vor potenziell schädlicher Wirkung elektromagnetischer Felder.
Mobilfunkstation in Miniaturformat
Um ein Funksystem vermessen zu können, muss natürlich sichergestellt sein, dass auch Funkkommunikation stattfindet. Am Beispiel des Mobiltelefons wird dies mit einem Basisstationssimulator erreicht, mit diesem kann man das Smartphone quasi „anrufen“. Der Simulator ist sozusagen die Mobilfunkstation in Miniaturformat. Im Hintergrund laufen dabei komplexe Prozesse ab: Vom Einbuchen in die Mobilfunkzelle über den Aufbau der Verbindung und die Regelung der Sendeleistung bis zum Verbindungsabbruch und Ausbuchen aus der Zelle sind viele Schritte nötig, von denen der Nutzer normalerweise nichts mitbekommt. Der Laboringenieur hingegen muss all diese Prozesse im Blick haben, um eine normgerechte Messung durchzuführen zu können, und um deren Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.
Um den „Anruf“ sichtbar zu machen, benötigt man einen sogenannten Spektrumanalysator. Dieser empfängt das Sendesignal und macht es auf einem Bildschirm sichtbar. Man erhält ein Bild der Amplitude des Signals aufgetragen über den eingestellten Frequenzbereich.
Die Anzeige des Spektunanalysators sieht so aus:
Zu erkennen sind die Frequenz, auf der gefunkt wird, die Breite des Signals und die Signalstärke. Vereinfacht lässt sich sagen: Je breiter das Signal, desto mehr Daten können übertragen werden. Wir sehen hier die gewünschten Signale, ansonsten liegt alles unter dem roten Limit, die Prüfung ist bestanden!
Es geht jedoch nicht nur um die gewollte Funkabstrahlung. Durch zahlreiche Ursachen können auch Abstrahlungen erzeugt werden, die unerwünscht sind und andere Geräte oder Funktechnologien stören können. Man denke hier an Zeiten, in denen das Mobiltelefon mit nervigem Geräusch das Autoradio störte. Die Regelwerke schreiben vor, welche maximale Signalstärke nicht überschritten werden darf.
In der Ruhe liegt die Kraft
Da, wie eingangs schon beschrieben, zahlreiche Funktechnologien gleichzeitig in Betrieb sind, kann ein Funksystem nicht ohne erheblichen Aufwand vermessen werden. Man würde bei der Messung nicht nur das zu untersuchende Funksystem „sehen“, sondern auch die Sender der Umgebung (Basisstationen für Mobilfunk, andere Mobiltelefone, Radiosender usw.). Zu diesem Zweck ist es erforderlich, eine Umgebung zu schaffen, die es zulässt, nur den Prüfling zu messen. Nach dem Motto „In der Ruhe liegt die Kraft“ erreicht man dies durch den Aufbau von Räumen mit Wänden, Böden und Decken aus Metall. Diese sogenannte Schirmkabine lässt die „Fremdstörer“, so der Begriff dafür, im wahrsten Sinne draußen. Mittels Analysator und einer angeschlossenen, sich im Raum befindlichen Messantenne könnte man den Prüfling nun vermessen.
Für eine fehlerfreie Messung fehlt aber noch etwas: Absorber. Mit Ihnen wird aus einer Schirmkabine eine Absorberhalle, also ein reflexionsfreier Raum. Die Absorber verhindern, dass ein Signalecho, also eine Reflexion entsteht, die eine fehlerhafte Messung nach sich zöge. Die Wirkung ist vergleichbar mit schalltoten Räumen etwa für Musikaufnahmen. Ohne Absorber hätte man bei der Aufnahme einen schrecklichen Klangbrei, den niemand hören wollte. Wie so eine Absorberhalle aussieht, zeigt das folgende Bild.
Vielseitigkeit im Funklabor
Neben gezeigtem Messaufbau gibt es natürlich eine Vielzahl an weiteren Messaufbauten und natürlich wird im Funklabor nicht nur Mobilfunk betrachtet. Wir prüfen bei Testlab nahezu alles, was eine Funkschnittstelle hat. Das kann ein Handfunkgerät sein, ein Funkschlüssel für das Auto, ein GPS-Empfänger, ein Hörgerät mit Bluetooth oder gar eine Funkstation für den Behördenfunk, über den die Feuerwehr oder Polizei miteinander kommunizieren. Und so vielseitig wie die Technologien ist auch der Job als Prüfingenieur: Dabei ist nicht nur die Messtechnik zu bedienen, sondern auch die Geräte der unterschiedlichsten Hersteller auf den verwendeten Messplätzen in Betrieb zu nehmen – dazu ist oft die Zusammenarbeit mit dem Entwicklungsingenieur gefragt.
Da sich die zu testenden Produkte häufig noch im Prototypenstatus befinden, ist das eine herausfordernde und spannende Angelegenheit, nicht zuletzt, weil wir Produkte in der Hand halten, die die Allgemeinheit noch gar nicht kennt. Ziel der Prüfung ist ein belastbarer, d.h. verlässlicher und wissenschaftlich korrekter Prüfbericht, den der Kunde zum Verkauf seiner Produkte benötigt.
Schaut auch in den anderen Laboren von Phoenix Testlab vorbei:
Umweltsimulationslabor
Labor für Elektromagnetische Verträglichkeit
Ich bin 44 Jahre alt, verheiratet und Vater zweier Töchter. Seit etwas mehr als 11 Jahren bin ich im Funklabor bei Phoenix Testlab tätig. Als Ingenieur tüftele ich auch privat gern, sofern die Kinder Zeit dazu lassen. Bei gutem Wetter zieht es mich mit dem Fahrrad in die Natur, nicht selten mit einer Kamera im Gepäck. Man kann mich aber auch in der Judo-Halle antreffen, wo ich für die nächste Gürtelfarbe trainiere.
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