Verbesserter Mobilfunkempfang durch frequenzdurchlässige Seitenscheiben in der Kosten-Nutzen-Betrachtung
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276 I FAHRZEUGE ROLLING STOCK 145 (2021) 8 AUGUST
Verbesserter Mobilfunkempfang durch
frequenzdurchlässige Seitenscheiben in
der Kosten-Nutzen-Betrachtung
Improved Mobile Radio Reception through Frequency-
Permeable Windows in the Cost-Benefit Analysis
Dipl.-Ing. Michael Schmäcke, Krefeld (Deutschland)
Zusammenfassung Abstract
Der Anspruch, mit dem Mobiltelefon immer und überall nicht The requirement of being able to make calls with the mobile
nur telefonieren zu können, sondern auch Daten in hoher Ge- phone anytime and anywhere and to receive data at high speed
schwindigkeit zu empfangen, bedingt eine gute Netzabdeckung. requires good network coverage. The conditions for this are
In den Zügen des Regional- und Hochgeschwindigkeitsverkehrs particularly bad on regional and high-speed trains.
sind die Voraussetzungen dafür besonders schlecht. The metal tube is impervious to radio waves, all that remains
Die Metallröhre ist für Funkwellen undurchdringlich, es bleibt is the way through the windows. However, the tasks that a side
nur der Weg durch die Fenster. Allerdings sind die Aufgaben, window must fulfill in trains are extensive and contradictory.
die ein Seitenfenster in Zügen erfüllen muss, umfangreich und A metallic coating on the glass is necessary to reduce the heat
widersprüchlich. Eine metallische Beschichtung auf dem Glas loss from the vehicle and the energy transmission into the
ist erforderlich, um den Wärmeverlust aus dem Fahrzeug und vehicle.
den Energieeintrag ins Fahrzeug zu verringern. Jedoch schirmt However, this metallic layer also shields radio waves very ef-
diese metallische Schicht auch Funkwellen sehr effektiv ab. fectively. If the coating is divided into smaller geometric fields
Wird die Beschichtung in kleinere geometrische Felder ein- that are electrically separated from each other, then the at-
geteilt, die voneinander elektrisch getrennt sind, dann kann tenuation can be reduced for certain frequencies. This method
die Dämpfung für bestimmte Frequenzen reduziert werden. was successfully implemented in the Rhein-Ruhr-Express
Diese Methode wurde erfolgreich beim Rhein-Ruhr-Express (Desiro HC RRX).
(Desiro HC RRX) umgesetzt. The aim is to show which parameters influence the design of
In diesem Artikel soll aufgezeigt werden, welche Parameter die the side windows and how the glass can be manipulated in such
Auslegung der Seitenscheiben beeinflussen und wie die Gläser a way that cell phone reception is also possible in high-speed
so manipuliert werden können, dass der Mobilfunkempfang vehicles such as the Velaro MS (DB series 408). Furthermore, it
auch in Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen wie dem Velaro MS is shown which analytical methods can be used to prove the
(DB Baureihe 408) möglich ist. Weiterhin wird dargelegt, mit transmissibility to cellular radio waves and that it is possible to
welchen analytischen Methoden die Mobilfunktransparenz nach- get a sufficiently precise prediction of the results via simulations.
gewiesen werden kann und dass es möglich ist, über Simulati-
onen eine hinreichend genaue Ergebnisvorhersage zu erhalten.
1 Einleitung ben, sind hoch. Diesen Anspruch haben und dass diese Röhre die elektromagneti-
wir auch, wenn wir auf Reisen sind oder schen Strahlen wie ein Faraday‘scher Kä-
Telefonieren, E-Mails checken, immer er- pendeln, mit dem Zug unterwegs sind. fig abschirmt. Zum anderen werden die
reichbar sein, in den sozialen Medien, auf Stellen wir die Frage, warum es denn so Funkzellen, also die Bereiche der Sende-
Instagram und WhatsApp, 3G, 4G und ein Problem darstellen soll auch im Zug masten, bei den hohen Geschwindigkei-
5G! Das Mobiltelefon prägt unser Leben einen guten Empfang zu bekommen. Zum ten sehr schnell durchfahren. Die Überga-
und die Erwartungen, dass wir überall einen liegt das daran, dass der Zug eine be von einer zur anderen Funkzelle muss
eine hervorragende Netzabdeckung ha- lange Röhre aus Aluminium oder Stahl ist schnell und reibungslos funktionieren.
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Dennoch, die Fenster bestehen aus Glas,
dahinter müsste das Telefonieren möglich
sein. Allerdings sind in den modernen Zü-
gen nicht einfache Gläser eingebaut, mit
denen der Blick auf die Landschaft er-
möglicht wird. Eine Seitenscheibe muss
eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen,
wie nachfolgend gezeigt wird.
Der Gesetzgeber sieht nicht nur Sicher-
heitsglas vor, auch muss die äußere Schei-
be aus Verbundsicherheitsglas (VSG) sein.
Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der
VELARO-Züge von Siemens ergeben sich
bei Zugbegegnungen Druckstöße bis zu
6.000 Pa. Nicht nur vor den Druckstößen,
auch vor Gegenständen wie Schotterstei-
nen, die von außen gegen den Zug schla-
gen können, schützen die Seitenscheiben
die Fahrgäste im Inneren. Für den Kom-
fort der Fahrgäste sollen die Seitenfens-
ter eine hohe Schalldämmung aufweisen, Bild 1: Wärmetransport
um den Geräuscheintrag ins Fahrzeug zu
minimieren. Eine weitere Funktion der hohe Schalldämmung erfordert einen SZR SZR von 16 mm ansteigt. Damit ergibt
Scheiben, die im Laufe der Jahre immer von 24 mm oder größer. sich für den SZR ein Optimum zwischen
bedeutender geworden ist, ist der Ein- Der U-Wert resultiert aus der isolieren- 16 mm und 20 mm [3].
fluss auf das Raumklima. Auf der einen den Wirkung des SZR und einer Beschich- Der g‑Wert beschreibt den Gesamtener-
Seite soll die Wärmeenergie im Fahrzeug tung, die die Wärmestrahlung in den In- gieeintrag ins Fahrzeug. Die Energiestrah-
verbleiben und nicht über die Seitenfens- nenraum reflektiert. Im SZR bestimmen lung der Sonne wird durch das Glas teil-
ter abfließen. Auf der anderen Seite darf die Übertragungsarten den Wärmedurch- weise reflektiert und absorbiert. Der ab-
sich das Fahrzeug durch Sonneneinstrah- gang: Wärmeleitung, Strahlung und Kon- sorbierte Teil wird in Wärme umgewan-
lung nicht stark aufheizen. Der Wärme- vektion (Bild 1). Zur Minimierung der delt und nach außen und innen als se-
durchgangskoeffizient, auch als U-Wert Wärmeleitung wird ein Edelgas wie Ar- kundäre Wärme abgegeben. Die Wärme,
bekannt, beschreibt die Energie, die aus gon verwendet, dessen Moleküle kleiner die zusammen mit der restlichen Ener-
dem Inneren des Fahrzeugs nach außen sind und deren Molekülabstände größer giestrahlung in das Innere des Fahrzeugs
abfließt, er liegt bei der heutigen Doppel- sind als die der Luft. Um die Wärmelei- gelangt (Bild 2), erwärmt das Fahrzeug
verglasung bei 1,1 W/m2K und ließe sich tung zu verringern, sollte der SZR mög- und muss über die Klimaanlage abge-
auf ca. 0,5 W/m2K verbessern, wenn eine lichst groß sein, was aber zur Folge hat, führt werden. Um den Wärmeeintrag zu
3‑fach Verglasung eingesetzt werden wür- dass der Anteil der Konvektion ab einem verringern, werden Beschichtungen ein-
de. Aus Gewichtsgründen [1] kommt dies
in Schienenfahrzeugen nicht zum Ein-
satz. Der Gesamtenergiedurchlassgrad
(g-Wert) beschreibt den Anteil der Son-
nenstrahlung, der über die Fenster in das
Fahrzeug gelangt. Bleibt noch als letzte
Einflussgröße, die Lichttransmission LT,
die angibt, wieviel sichtbares Licht durch
die Scheiben in den Innenraum gelangt.
2 Funktion und Komplexität
der Außenverglasung
Physik lässt sich nicht überlisten, die
meisten der Anforderungen erfordern ge-
genläufige Lösungen. Schalldämmung er-
fordert Masse und einen möglichst großen
Scheibenzwischenraum (SZR) der Isolier-
gläser. Dabei besteht ein logarithmischer
Zusammenhang zwischen Schalldäm-
mung und der Größe des SZR [2]. Eine Bild 2: Energietransmission
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gesetzt, die die Sonnenstrahlung reflek-
tieren, wie zum Beispiel low-E Beschich-
tungen, die einen hohen Silberanteil ha-
ben. Diese Schichten werden bei der Her-
stellung der Rohgläser im Floatglasverfah-
ren auf das noch heiße Glas aufgebracht.
Eine reine Silberschicht, wie wir sie zum
Beispiel auch vom heimischen Badezim-
merspiegel kennen, hat aber den Nachteil,
dass auch das sichtbare Licht reflektiert
wird.
Die Beschichtung muss so selektiv sein,
dass der unsichtbare Teil des Lichts he-
rausgefiltert wird und der sichtbare Teil
passieren kann. Möglich wird das durch
eine Zusammensetzung aus verschiede-
nen Metallen und Metalloxiden. Den-
noch ist auch dies ein Kompromiss. Im
sichtbaren Spektrum des Lichts wird
nicht nur Licht, sondern auch der größ-
te Teil der Sonnenenergie eingestrahlt [4]
(Bild 3).
Für den Velaro heißt das, dass ein g‑Wert
von ca. 23% erreicht wird bei einer Licht-
transmission von ca. 40%. Eine weite-
re Variable ist die Positionierung der Be-
schichtung. Ideal wäre es, die reflektie-
rende Beschichtung auf der äußersten
Ebene aufzutragen. Je weiter außen die
Sonneneinstrahlung reflektiert wird, des-
to weniger wird das System aufgeheizt.
Dem umgebenden Sauerstoff ausgesetzt
würde sich die Beschichtung allerdings
im Laufe der Zeit durch Oxidation ver-
ändern, während sie auf der zum SZR
gewandten Seite stabil bleibt. Das liegt
darin begründet, dass im SZR der Sau-
erstoffgehalt und die Feuchtigkeit redu-
ziert sind. Deswegen wird die Funktions-
Bild 3: Einstrahlung über Wellenlänge schicht immer auf der Glasseite zum SZR
aufgebracht. In einigen Fällen werden Be-
schichtungen auf beiden Flächen mit den
unterschiedlichen Funktionen verwen-
det; auf der Außenscheibe, um die Ener-
giestrahlung abzuhalten, auf der Innen-
scheibe, um die Wärme im Fahrzeug zu
halten. Die Beschichtung auf der Innen-
scheibe kann aber entfallen, denn aus
der Betrachtung von Kosten zu Nutzen
kann diese Aufgabe durch eine kombi-
nierte Beschichtung auf der Außenschei-
be übernommen werden.
3 Vom Intrain-Repeater zur
mobilfunktransparenten
Scheibe
Mit der Erkenntnis, dass eine Beschich-
Bild 4: Intrain-Repeater tung auf den Seitenscheiben notwendig
145 (2021) 8 AUGUST ROLLING STOCK FAHRZEUGE I 279 ist, ergibt sich die Problematik, dass diese die Beschichtung in kleine abgegrenzte Untersuchungen haben gezeigt, dass, Beschichtung auch die Strahlung der Mo- Felder unterteilt, die untereinander elek- wenn der Laser auf die Beschichtung fo- bilfunkfrequenzen dämpft beziehungs- trisch getrennt sind. Der Frequenzbereich, kussiert wird, die Energie Einkopplung weise reflektiert. Zusammen mit den In- für den die Dämpfung optimiert werden nur in der Beschichtung stattfindet, so terferenzen durch die Bewegung des Zugs soll, bestimmt die Größe und geometri- dass die Beschichtung verdampft, ohne und je nach Mobilfunkabdeckung wird sche Form der Felder. Mit Hilfe eines La- dass dies zur Beschädigung der Glasober- das Telefonieren im Zug oftmals stark ser-Strahls, in dessen Fokuspunkt die Be- fläche führt. Zum Nachweis wurden auf eingeschränkt. Seit 1997 hat die Deut- schichtung verdampft, können feine be- einem Druckwechselprüfstand Versuchs- sche Bahn AG deswegen damit begonnen, schichtungsfreie Linien gezeichnet wer- reihen mit über einer Million Prüfzyklen die ICE-Flotte und später ausgesuchte den, die die Felder voneinander trennen. bei Amplituden von bis zu ±10.000 Pa Wagen der IC- und EC-Züge, mit Intrain- Das so entstehende Muster wiederholt durchgeführt. Hiernach sind keinerlei Repeatern auszurüsten (Bild 4). Ein In- sich über die gesamte Fensterscheibe. In Risse oder Brüche im Glas diagnosti- train-Repeater besteht im Wesentlichen der Praxis kommen dabei Anlagen zum ziert worden. Auch die Eignung für den aus einer Außenantenne, einem Verstär- Einsatz, bei denen der Laserstrahl über Einsatz bei Notausstiegsfenster konnte ker und einem Strahlkabel, dies muss in Spiegel abgelenkt wird wodurch nur eine nachgewiesen werden. Somit sind alle si- jedem Waggon installiert sein. eingeschränkte Fläche bearbeitet werden cherheitstechnischen Aspekte erfüllt und Über die Außenantenne werden die Funk- kann. Danach wird das Glas unter dem der Einsatz in Schienenfahrzeugen mög- signale von der Funkzelle an den Ver- Laser verschoben oder der Laserkopf über lich. stärker übertragen und umgekehrt. Der dem Glas, um den nächsten Abschnitt zu Bleibt noch die Bewertung der Komfort- Verstärker überträgt die Signale an das bearbeiten. Hierbei ist es wichtig, dass die kriterien, denn die Linien sind je nach Strahlkabel, welches im Wagen unter dem Bearbeitung möglichst übergangsfrei fort- Lichteinfall mehr oder weniger sichtbar. Fußboden oder hinter der Deckenverklei- gesetzt wird, damit es zu keiner Unter- Das wird jedoch nicht als störend emp- dung verlegt ist. Das Strahlkabel emittiert brechung der Trennlinie kommt und das funden, da das Muster nicht wahrgenom- damit die Funkwellen der Funkzelle, mit optische Erscheinungsbild nicht gestört men wird, wenn das Auge in die Land- der das Mobiltelefon verbunden ist. wird. Um dies zu erreichen, ist ein spiel- schafft blickt. Die optische Wahrneh- Ein Nachteil dieses Systems sind die freier Antrieb notwendig. Bild 5 zeigt die- mung ist dabei umso geringer, je dün- hohen Kosten. Hierbei ist die Summie- se Mikroskopie der Ansatzstelle am Bei- ner die Trennlinien ausgeführt werden rung der Kosten über die Einsatzzeit von spiel der Fertigung der Velaro MS Fens- können. Zunächst war eine Linienstärke 30 Jahren zu betrachten. Zusätzlich zu ter des Glasherstellers Flachglas Wern- von 100 µm umgesetzt worden, um die den Investitionskosten der Komponen- berg GmbH. In dieser Vergrößerung wird Felder effektiv elektrisch voneinander ten fallen Kosten für den Betrieb an, in deutlich, dass die angrenzenden Felder zu trennen. In der Praxis hat sich jedoch erster Linie der Energiebedarf von 100 W elektrisch voneinander getrennt sind und gezeigt, dass schon 50 µm ausreichend pro Verstärker. Ein weiterer Kostenfak- der Versatz zur benachbarten Linie ledig- sind. Neben der reduzierten optischen tor sind Wartung und Instandhaltung, lich 1/8 mm beträgt. Wahrnehmbarkeit mindern die dünneren da selbst Strahlkabel und Antennen ge- mäß Herstellerangaben nur eine Lebens- erwartung von zehn bis zwölf Jahren ha- ben. Hinzu kommt, dass mit jeder neuen Mobilfunkgeneration Komponenten ange- passt oder ausgetauscht werden müssen. Neben den Kosten verbirgt sich in der Nutzung von Intrain-Repeatern auch ein Risiko für die Inbetriebnahme von Neu- fahrzeugen. Der Zug wird zur Sendean- lage, die das ankommende Signal ver- stärkt und abgestrahlt. Dies kann zu ei- ner Rückkopplung und damit zur Beein- trächtigung des Mobilfunknetzes führen. Aus diesem Grund muss jede Sendeanla- ge zugelassen sein. Diese Zulassung und die dafür benötigte Zeit müssen im Vor- feld eingeplant werden. Bei der Nutzung eines passiven Systems ohne einen Repeater, entfallen die aufge- zählten Kosten. Dazu muss die metalli- sche Beschichtung der Seitenfenster auf geeignete Weise manipuliert werden, um durchlässig für die Wellenlängen der Mo- bilfunkfrequenzen zu sein. Dafür wird Bild 5: Ansatzstelle Laser
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neben der Anschaffung und dem Energie-
verbrauch der Intrain-Repeater, vor allem
die hohen Kosten für deren Wartung den
vergleichsweise geringen Mehrkosten für
die mobilfunktransparenten Seitenfenster
gegenüber. Auf dieser Grundlage ist von
der Siemens Mobility GmbH die die Ent-
scheidung getroffen worden, den Vela-
ro MS mit mobilfunktransparenten Schei-
ben auszurüsten.
Dank dieser Entscheidung, ist in der neu-
en Generation der Hochgeschwindigkeits-
züge, die ab Dezember 2022 für die Deut-
sche Bahn AG in Deutschland und in an-
deren Europäischen Ländern verkehren
Bild 6: Gegenüberstellung Messung Simulation werden, ein nahezu ungehinderter Mo-
bilfunkempfang möglich, sofern eine ent-
sprechende Mobilfunkinfrastruktur vor-
Trennlinien auch den negativen Einfluss konnten aufwendige Testreihen vermie- handen ist.
auf die energietechnischen Eigenschaften, den werden, da die Auswirkungen von
da bei 50 µm Linienstärke folglich weni- geänderten Parametern mit deutlich ge- #733_A5
ger Beschichtung entfernt werden müs- ringerem Aufwand berechnet und bewer-
sen. Insgesamt werden dann nur ca. 3.5% tet werden konnten, bis das Optimum er- (Bildnachweis: 1, 2 und 4, Siemens/Ver-
der Beschichtung abgetragen. Vergleichs- reicht worden ist. Auf diese Weise konn- fasser; 3, Glas Trösch; 5, Flachglas Wern-
messungen haben ergeben, dass sich die ten Kosten, aber vor allem auch wichtige berg GmbH; 6, Siemens/Lukas Mayer)
Energietransmission, gegenüber der nicht Entwicklungszeit eingespart werden. Bei
manipulierten Scheibe, um weniger als Messungen der Frequenzdruchlässsigkeit Literatur
2 Prozentpunkte und der Wärmedurch- mit den ersten Prototypen der neu ent- [1] Demel, H.: Irrweg oder Innovation – Thesen
zum vernünftigen Umgang mit der U-Wert-
lass um weniger als 0,1 W/m2K erhöhen. wickelten Seitenscheiben im hauseige- Olympiade, Rosenheim 2015.
nen Labor konnten die theoretische Aus- [2] Gösele, K.: Berechnung der Schalldämmung
von Fenstern (AZ: BI5-800183), Leinfelden-
4 Simulation legung schließlich bestätigt werden. Der Echterdingen 1983.
und Ausführung Vergleich zwischen Simulation und Mes- [3] Kuhne, M.: Modellierung des Energietrans-
sung zeigte bei verschiedenen Einstrahl- ports durch Verglasungen, Weimar 1997.
[4] Glashandbuch, Glas Trösch GmbH – SANCO
Die zur Projektentwicklung des Vela- winkeln und Polarisationen eine gute Kor- Beratung, 4. Auflage 2010.
ro MS (DB Baureihe 408) gestellten An- relation (Bild 6). [5] Madjdi, M.; Mayer, L. W.; Demmer, A.: Hoch-
forderungen unterscheiden sich gegen- frequenz-durchlässige Fensterscheiben für
Regional- und Fernverkehrszüge, ZEVrail,
über dem bereits im Betrieb befindlichen 5 Schlussbetrachtung 140. Jahrgang, Heft 9, 2016, S. 376–383.
Nahverkehrszug RRX [5]. Der Kunde hat
restriktivere Vorgaben zu Einstrahlwinkel Die Vermessung der verbesserten mo-
und Polarisation formuliert, deren Not- bilfunktransparenten Scheiben hat erge- Dipl.-Ing. Michael Schmäcke
wendigkeit aus der hohen Geschwindig- ben, dass über die Frequenzen zwischen (55). Studium der Luft- und
keit resultieren. Zudem hat auch die Um- 700 MHz und 3,8 GHz, die Dämpfung Raumfahrttechnik an der
setzung des 5G-Mobilfunkstandards Be- kleiner als 10 dB ist. Insbesondere bei den Fachhochschule Aachen
bis 1992. Seit 1996 bei der
rücksichtigung gefunden. niedrigen 5G-Bändern, die den Bereich
Siemens Mobility GmbH
Bei der Lösungsfindung war die vom Sie- von 700 MHz belegen, konnte eine Dämp-
zuständig für Seitenvergla-
mens-eigenen Prüflabor „RFT Österreich“ fung von weniger als 5 dB erreicht wer- sung von Zügen und vKAP
durchgeführte Grundlagenforschung ent- den. Hierbei werden die energetischen Ei- nach DIN 6701.
scheidend. Für die Auslegung ist ein ei- genschaften der Seitenscheibe in nur äu- Anschrift: Siemens Mobility GmbH, Duisburger
gens entwickeltes, innovatives Simulati- ßerst geringem Maße beeinträchtigt. Bei Str. 145, 47829 Krefeld, Deutschland.
onsprogramm genutzt worden. Hierdurch der Kosten-Nutzen-Betrachtung stehen, E-Mail: michael.schmaecke@siemens.comSie können auch lesen
