B. EXPOSITION DURCH TRANSPONDER
7 EXPOSITION DURCH PASSIVE TRANSPONDER
Transponders durchgeführt, wobei zwei unterschiedliche Orientierungen der generischen Lesegerät-Antenne betrachtet wurden (Abbildung 7.1). Einmal steht die Person frontal zur Readerantenne (Transponderspule und Readerantenne parallel ausgerichtet, Abbildung 7.1, links) und einmal seitlich neben der Readerantenne (Transponderspule und Readerantenne orthogonal zueinander ausgerichtet, Abbildung 7.1, rechts). In den Berechnungen wurde ein konstanter Strom von 1 A in der Readerantenne eingeprägt. Bezüglich des Transponders wurden, unter Beibehaltung des exakt gleichen Rechengitters, drei unterschiedliche Fälle betrachtet, wobei die Transponderspule realitätsnah in Scheckkartengröße mit 6 Windungen modelliert wurde
• Transponderspulenlastimpedanz 1 kΩ
• Transponderspule kurzgeschlossen
• Transponderspule im Leerlauf (entspricht aufgrund fehlender Gegeninduktions-wirkung auch dem Fall der Exposition ohne Transponder)
Abbildung 7.1: Betrachtete Szenarien zur Analyse der Exposition passiver 13,56 MHz Transponder.
Tabelle 7.1 fasst die Berechnungsergebnisse zusammen. Es zeigt sich erwartungsgemäß, dass die Exposition durch die Anwesenheit des Transponders und die damit verbundene Gegeninduktionswirkung im Allgemeinen geringfügig reduziert, keinesfalls aber erhöht wird.
Je schwächer die Kopplung zwischen Lesegerät und Transponder, desto geringer fällt die Reduzierung der Exposition erwartungsgemäß aus.
Transponderlastimpedanz
max SAR10g
@ 1A Readerantennenstrom
frontal zur Readerantenne seitlich zur Readerantenne
1 kΩ 36,1 mW/kg 16,0 mW/kg
Kurzschluss 31,7 mW/kg 10,4 mW/kg
Leerlauf 39,2 mW/kg 16,1 mW/kg
Tabelle 7.1: Tabellarische Zusammenfassung der maximalen über 10g Gewebe gemittelten SAR für die betrachteten Expositionssituationen mit einem passiven Transponder.
Die in Tabelle 7.1 angeführten maxSAR10g Werte beziehen sich auf den gesamten Körper, d.h., nicht speziell auf den Nahbereich des Transponders. Für die Situation mit frontaler Readerantenne tritt der maxSAR10g Wert, unabhängig von den Lastimpedanzverhältnissen im Transponder, immer linksseitig im Berührungsbereich zwischen innerem Oberschenkel und Skrotum auf, im Fall der seitlichen Befeldung in dem der Readerantenne zugewandten Achselhöhle (Berührungsbereich zwischen Oberarm und Brustkorb). Die Rückwirkung des Transponders bei endlichen Lastimpedanzen führt demnach zu einer merkbaren Reduktion des Gesamt-Readerfeldes und nicht nur zu einer Reduzierung der Absorption direkt unterhalb des Transponders (Abbildung 7.2).
Abbildung 7.2 veranschaulicht den Effekt geringerer Absorption bei Anwesenheit des Transponders auch für die lokalen Absorptionsverhältnisse auf der Körperoberfläche direkt unter dem Transponder. Die dabei zu erkennenden ringförmigen Konturen in den Absorptionsbildern sind eine Folge der Diskretisierung der Körperoberfläche (Stufeneffekt).
Für den zu zeigenden Effekt der Feldschwächung durch den Transponder ist dies hier, aufgrund des immer exakt gleich gewählten Rechengitters, aber ohne Belang.
Abbildung 7.2: SAR Verteilung an der Körperoberfläche direkt unter dem Transponder.
a: Leerlauf, b: 1kΩ Lastimpedanz, c: Kurzschluss
Aufgrund des gleichen physikalischen Prinzips, können die oben angeführten Überlegungen auch für induktiv gekoppelte RFID-Systeme mit niedrigeren Arbeitsfrequenzen (z.B., im 125 kHz-Bereich) als gültig angesehen werden.
7.2 Verhältnisse bei subharmonischen Verfahren
Subharmonische Verfahren mit am Körper getragenen Transpondern kommen, wenn überhaupt, nur bei Systemen im Frequenzbereich um 125 kHz zum Einsatz, z.B., 128 kHz mit 64 kHz Uplink-Frequenz [1]. Da die Basiswerte gemäß [7]. im Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 10 MHz proportional zur Frequenz ansteigen (d.h., in Richtung niedrigerer Frequenzen kleiner werden), könnte auf den ersten Blick gemutmaßt werden, dass bei subharmonischen Verfahren, der Transponder eventuell zu einer relativ höheren Exposition führt, als beispielsweise bei den oben behandelten Verfahren der Lastmodulation mit Hilfsträger. Allerdings folgt das für die Exposition, d.h., für die Induktion von Körperströmen maßgebliche Induktionsgesetz ebenfalls einer frequenzproportionalen Abhängigkeit in der Form, dass höhere Frequenzen, bei sonst gleichen Expositionsverhältnissen, zu proportional höheren Körperströmen führen. Umgelegt auf die oben angeführten Verhältnisse bei subharmonischen Verfahren mit Downlink-Frequenz fD und Uplink-Frequenz fU, bedeutet dies, dass die Basiswerte im Frequenzbereich des Uplink-Signals zwar um den Faktor fD / fU
niedriger sind als im Frequenzbereich des Downlink-Signals, allerdings ist gleichzeitig auch zu erwarten, dass die Induktion von Körperströmen um den gleichen Faktor fD / fU reduziert ist. Aus diesem Grund kann davon ausgegangen werden, dass subharmonische Verfahren im Hinblick auf die Exposition durch passive bzw. semi-passive Transponder keiner Sonderbehandlung aus strahlenschutztechnischer Sicht bedürfen.
a b c
7.3 Verhältnisse bei sequentiellen Verfahren
Bei sequentiellen Verfahren stellt sich die Frage nach der Möglichkeit einer im Vergleich zum Leserfeld höheren Spitzenbelastung durch Transponder, in dem die während einer relativ langen Downlink-Phase im Transponder akkumulierte Energie innerhalb einer relativ kurzen Uplink-Phase emittiert wird. In der Praxis existieren gegenwärtig prinzipiell zwei unterschiedliche Ausprägungen sequentieller Verfahren, nämlich einerseits bei manchen induktiv gekoppelten Systemen im Frequenzbereich < 135 kHz und andererseits im Mikrowellenbereich beim Einsatz von Oberflächenwellen-Transpondern [1].
7.3.1 Induktiv gekoppelte Transponder bei sequentiellen Verfahren
Nach gegenwärtigem Kenntnisstand sind keine derartigen Transponder bekannt, die am Körper von Personen getragen werden. Am häufigsten kommen sequentielle Transponder induktiv gekoppelter RFID-Systeme im Bereich der Tieridentifikation zum Einsatz (ISO/IEC 11785). Gemäß dem genannten Standard steht dabei eine 50 ms lange Ladephase (aktiviertes Readerfeld) zur Verfügung. Nach diesen 50 ms schaltet der Leser sein Feld ab und ein im Ansprechbereich befindlicher Transponder hat danach 3 ms Zeit mit der Uplink-Übertragung zu beginnen, die bis zu max. 20 ms dauern kann.
Abgesehen von diesem standardisierten Verfahren sind aber theoretisch auch längere Ladephasen und auch kürzere Sendezeiten des Transponders möglich. D.h., zumindest theoretisch, unter der Annahme der Verwendung derartiger Transponder am Körper von Personen, besteht die eingangs erwähnte Frage zu Recht. Eine konkrete quantitative Aussage im Hinblick auf die Exposition von Personen ist gegenwärtig mangels konkreter Anwendungen (Transponder) jedoch nicht möglich.
7.3.2 Sequentielle Oberflächenwellen- und Mikrowellen-Transponder
Auch wenn gegenwärtig keine Anwendungen bzw. Systeme bekannt sind, die das Tragen von Oberflächenwellen-Transpondern direkt am Körper vorsehen, können dazu einige grundlegende Überlegungen angestellt werden. Ein passiver Oberflächenwellen-Transponder nimmt Mikrowellenenergie (z.B. 2,45 GHz) aus dem Leserfeld auf und strahlt diese Energie zeitversetzt (sequentiell) zum Leser zurück. Anders als im Niederfrequenzbereich sind hier Überlegungen hinsichtlich einer zeitlichen „Bündelung innerhalb kurzer Impulse“ der wieder abgestrahlten Energie irrelevant, da im Mikrowellenbereich nach gegenwärtigem Kenntnisstand nur zeitlich (über 6 Minuten) gemittelte Expositionswerte relevant sind. Allerdings kann man sich die Frage nach möglichen räumlichen Konzentrationen der Absorption im Körper, verursacht durch das am Körper Tragen des Transponders stellen, der definitionsgemäß mit einer im Leserfeld resonanten Antenne ausgestattet ist. Abbildung 7.3 zeigt ein einfaches numerisches Modell mit einem bei 2,45 GHz resonanten Halbwellendipol in 10 mm Abstand zur Körperoberfläche (Gewebeblock mit εr =39, σ=1,8 S/m), das von rechts mit einer ebenen Welle befeldet wird (Dipolausrichtung entlang E-Feldvektor). Die auf Basis von FDTD Berechnungen erhaltenen SAR-Verteilungen an der Oberfläche des Gewebeblocks bei Anwesenheit des Dipols und ohne Dipol sind in Abbildung 7.4 dargestellt.
Abbildung 7.3: Einfaches Modell zur Demonstration von Absorptionsverzerrungen zufolge resonanter metallischer Strukturen an der Körperoberfläche
Die deutlich sichtbare Welligkeit der SAR Verteilung ist eine Folge nichtidealer Reflexionsunterdrückung an den Grenzen der Rechendomäne und spielt in diesem Zusammenhang keine Rolle, maßgeblich ist lediglich der Unterschied in der SAR-Verteilung zwischen dem Fall mit und ohne Anwesenheit des Dipols. Die Anwesenheit des Dipols führt, im Vergleich zur Situation ohne den Dipol, erwartungsgemäß zu einer Verzerrung der Absorptionsverhältnisse in seiner unmittelbaren Umgebung. Dies führt in der unmittelbaren Umgebung des Dipols auf ca. 15% höhere Werte der über 10g Gewebe gemittelten SAR in der einfachen Körpernachbildung.
Abbildung 7.4: Absorptionsverteilungen an der Oberfläche des Gewebeblocks bei Befeldung mit einer ebenen Welle, ohne (links) und mit einem resonanten Halbwellendipol in 10 mm Distanz zum Gewebeblock.
Dieser Effekt ist physikalisch plausibel und ist immer zu erwarten (besonders bei Resonanz), wenn sich in derartigen Expositionssituationen beliebige metallische Strukturen bzw. Gegenstände in unmittelbarer Nähe des Körpers befinden.