In this dissertation, the operation of dual-linear polarized antennas is considered in order to provide ideal performance suited for several applications including polarimetric synthetic aperture radar (SAR), wireless and satellite communications. The underlying objectives realized in this work are reported as design realizations of dual-linear polarized antennas with low cross polarization patterns and high isolation between ports that employ special properties of the electromagnetic metamaterial (MTM) structures. Some of these key properties appear as negative permittivity, negative permeability, negative refractive index, and antiparallel nature of the phase velocity and the group velocity. The antenna design is carried out at two frequencies, 5.5 GHz and 10 GHz, and key physical issues that affect the operation of dual-linear polarization operation antennas are treated in light of electromagnetic MTM properties. It’s well known that a dual linear polarized antenna poses a big challenges such as cross polarization patterns and high mutual coupling between two input ports. Therefore, these drawbacks are key topic that receive significant attention in literature which reports on how to mitigate these drawbacks, however, at the expense of complexity of the antenna structures. The MTM structures have received considerable coverage in antenna research for obtaining size reduction, directivity enhancement, and beam steering. For this purpose, different MTMs structures are chosen in this thesis for achieving additional improvements, while keeping the antenna design as simple as possible, something which is very difficult to accomplish using conventional design methods. / In der folgenden Dissertation wird der Einsatz von zweifach linear polarisierten Antennen zur idealen Ausführung von verschiedenen Anwendungen, einschließlich von polarimetrischen Synthetic Aperture Radar (SAR), kabellose und satellitengestützte Kommunikation, diskutiert. Die Ziele dieser Arbeit werden dargestellt durch die Gestaltung von zweifach linear polarisierten Antennen mit gering Kreuz-Polarisationsmustern und die starke Isolation zwischen den Ports durch die einzigartigen Eigenschaften der Strukturen des elektromagnetischen Metamaterials (electromagnetic metamaterial; MTM). Einige dieser Eigenschaften treten als negative Permittivität, negative Permeabilität, negativer Brechungsindex und als antiparallel Richtungen (Gegenvektor) der Phasen-und Gruppengeschwindigkeit auf. Somit wird die Antennengestaltung auf zwei Frequenzen übertragen, 5,5GHz und 10 GHz, und die Ausführung der zweifach linearen Polarisation wird durch die elektromagnetischen Eigenschaften des MTM illustriert. Weil die Kreuzpolarisationsmuster und starke gegenseitige Koppelung zwischen zwei Input-Ports bei einer zweifach linear polarisierten Antenne große Schwierigkeiten bereiten, werden diese im Großteil der Fachliteratur als Schwerpunkte gesetzt, was zu einer Milderung der Nachteile führte, jedoch dafür die Komplexität der Antennenstruktur zunahm. Die Vielfalt an MTM ist ein bedeutender Teil im Bereich der Antennenforschung einschließlich der Größenverkleinerung, der Verbesserung der Richtcharakteristik und der Strahlensteuerung. Für diesen Zweck werden in dieser Dissertation verschiedenste MTM Strukturen ausgewählt um weitere Verbesserungen der Antennenstruktur zu ermöglichen und gleichzeitig die Einfachheit der Struktur zu bewahren, was mit konventionellen Gestaltungsmethoden nur schwer zu erreichen ist.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. / This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von anwendungsspezifisch angepassten und drucktechnisch herstellbaren Antennen für Radio‐Frequency‐Identification (RFID) Anwendungen im Ultra‐High‐Frequency (UHF) und Super‐High‐Frequency (SHF) Frequenzbereich. Dabei werden alle Entwicklungsschritte und deren Abhängigkeiten vom Antennenentwurf über die Simulation, die Herstellung im Druckverfahren und die Antennenvermessung betrachtet. Die Alleinstellungsmerkmale der vorliegenden Arbeit liegen in der Erforschung von Antennen, welche eine hohe Funktionalität in herausfordernden dielektrischen oder metallischen Umgebungen (Glas, Holz, Papier, Aluminium, …) aufweisen sowie im Druckverfahren hergestellt werden. Mit Hilfe von FEM‐ und MoM‐Berechnungen werden neu entwickelte Antennenkonzepte wie 898 MHz‐Dipolantennen, 868 MHz‐Längsstrahler‐ Antennenkonfigurationen, 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfigurationen und 5.8 GHz‐3D‐Dipol‐ Antennendesigns zur Erhöhung der Kommunikationsfähigkeit untersucht und beschrieben. Dabei werden hinsichtlich der 868 MHz‐Längsstrahler‐Antennenkonfiguration, zur Funktion in direkter metallischer Umgebung, Performance mindernde Depolarisationseffekte nachgewiesen. Eine Minimierung dieser Effekte wird mit der gezielten Krümmung elektromagnetischer Wellenfronten zwischen abstrahlendem Antennenelement und Reflektor erreicht. Der Nachweis wird anhand einer selbst entwickelten 868 MHz‐(Reflektor)‐Antennenkonfiguration geführt. Um die Leistungsfähigkeit gedruckter Antennen weiter zu steigern, werden Antennen mit gerichteter Abstrahlcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 5.8 GHz und einer Frequenzbandbreite von 150 MHz entworfen. Als ein Ergebnis werden Antennen mit dreidimensionaler Geometrie vorgestellt. Die Besonderheit hierbei liegt in der planaren Herstellung der Antenne im Druckverfahren und der anschließenden dreidimensionalen Aufrichtung. Die entwickelten Antennen sind direkt in kommerzielle und industrielle Anwendung überführbar. / This doctoral thesis focuses on research and development in the field of novel, optimized and printed antenna structures for UHF and SHF-RFID applications in challenging dielectric and metallic environments. These antenna structures have a high level of functionality, the manufacturing costs are low and they can easily be integrated. At the beginning of this work, based on wave equations it had been deduced that the propagation of electromagnetic waves in different media is dependent on the two material parameters permeability and permittivity. Based on this knowledge and further application- and manufacturing-specific parameters (resonance frequency, radiation characteristics, impedance, properties of the object which is to be identified (form, geometry, permeability and permittivity) and manufacturing-specific properties (substrate, material and printed layer thereof)), dipole antenna designs for different dielectric environments (air, paper, glass or wood) were designed, investigated with the help of a simulation tool, manufactured employing screen and gravure printing technologies and characterized in an anechoic chamber. The employed printing technologies are very dynamic processes which depend on various process parameters. In order to improve the functionality of printed antenna structures, several dependencies between the printing processes and the achieved antenna properties have been investigated. Summed up, it can be stated that next to all manufacturing-specific dependencies, the antenna design itself is the most significant factor influencing the achievable antenna properties. Next to carrying out research on dielectric antennas in the near field, finding novel antenna concepts for the realization of highly functional UHF-RFID-transponder-antennas for the application on metallic objects was also part of this investigation. Important to account for is that the metallic objects influence the propagation of electromagnetic waves. In order to efficiently use this physical property of the reflection of electromagnetic waves, novel UHF-reflector-antenna configurations have been designed. Afterwards, its antenna-polarizations behavior was investigated in several simulations before the antenna was manufactured employing screen printing technology and characterized in an anechoic chamber. The developed antenna-configuration showed impressive RFID-reading distances up to 8.1 m (with a RFID-reader transmitting power of 1 W ERP) and compared to the state-of-the-art technology (reading distance approx. 5 m). Therefore this technology enhances the reading performance (distance) by approximately 60 %. In order to improve the communication quality of future RFID-systems, also novel, multi-directional 3D-RFID transponder antenna structures with a resonance frequency of 5.8 GHz were designed. Because of the increased resonance frequency compared to already existing UHF-RFID systems, the usage of a broader-band RFID-frequency range is possible (5.725 GHz – 5.875 GHz (150 MHz) instead of just several kHz). This allows identifying significantly more objects (> 100) in parallel. The three-dimensional layout of two antenna parts vertical to each other allows a directional (not omni-directional) radiation characteristic outside the enclosed volume of space. Because of this, the influence of dielectric materials (for instance content of product packages) on the functionality of the antenna could be significantly reduced. Also, it was shown that the designed 3D-antenna structure could easily be integrated directly on the interior of for instance product packages employing screen printing technology. After folding/erecting the product package, the antenna receives its three dimensional shape and its verified improved performance.

In this dissertation, the operation of dual-linear polarized antennas is considered in order to provide ideal performance suited for several applications including polarimetric synthetic aperture radar (SAR), wireless and satellite communications. The underlying objectives realized in this work are reported as design realizations of dual-linear polarized antennas with low cross polarization patterns and high isolation between ports that employ special properties of the electromagnetic metamaterial (MTM) structures. Some of these key properties appear as negative permittivity, negative permeability, negative refractive index, and antiparallel nature of the phase velocity and the group velocity. The antenna design is carried out at two frequencies, 5.5 GHz and 10 GHz, and key physical issues that affect the operation of dual-linear polarization operation antennas are treated in light of electromagnetic MTM properties. It’s well known that a dual linear polarized antenna poses a big challenges such as cross polarization patterns and high mutual coupling between two input ports. Therefore, these drawbacks are key topic that receive significant attention in literature which reports on how to mitigate these drawbacks, however, at the expense of complexity of the antenna structures. The MTM structures have received considerable coverage in antenna research for obtaining size reduction, directivity enhancement, and beam steering. For this purpose, different MTMs structures are chosen in this thesis for achieving additional improvements, while keeping the antenna design as simple as possible, something which is very difficult to accomplish using conventional design methods.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dual linear Polarization Antennas and Arrays Chapter 3: Fundamental Theory of Metamaterials Chapter 4: Metamaterial Structures Design-Methodology Chapter 5: Design of Dual Linear Polarization Using CRLH-TL Metamaterial Line Feed Chapter 6: Cross Polarization Discrimination Enhancement of a Dual Linear Polarization Antenna Using Split Ring Resonator Chapter 7: Antenna Array Design Chapter 8: Conclusions and Future Work / In der folgenden Dissertation wird der Einsatz von zweifach linear polarisierten Antennen zur idealen Ausführung von verschiedenen Anwendungen, einschließlich von polarimetrischen Synthetic Aperture Radar (SAR), kabellose und satellitengestützte Kommunikation, diskutiert. Die Ziele dieser Arbeit werden dargestellt durch die Gestaltung von zweifach linear polarisierten Antennen mit gering Kreuz-Polarisationsmustern und die starke Isolation zwischen den Ports durch die einzigartigen Eigenschaften der Strukturen des elektromagnetischen Metamaterials (electromagnetic metamaterial; MTM). Einige dieser Eigenschaften treten als negative Permittivität, negative Permeabilität, negativer Brechungsindex und als antiparallel Richtungen (Gegenvektor) der Phasen-und Gruppengeschwindigkeit auf. Somit wird die Antennengestaltung auf zwei Frequenzen übertragen, 5,5GHz und 10 GHz, und die Ausführung der zweifach linearen Polarisation wird durch die elektromagnetischen Eigenschaften des MTM illustriert. Weil die Kreuzpolarisationsmuster und starke gegenseitige Koppelung zwischen zwei Input-Ports bei einer zweifach linear polarisierten Antenne große Schwierigkeiten bereiten, werden diese im Großteil der Fachliteratur als Schwerpunkte gesetzt, was zu einer Milderung der Nachteile führte, jedoch dafür die Komplexität der Antennenstruktur zunahm. Die Vielfalt an MTM ist ein bedeutender Teil im Bereich der Antennenforschung einschließlich der Größenverkleinerung, der Verbesserung der Richtcharakteristik und der Strahlensteuerung. Für diesen Zweck werden in dieser Dissertation verschiedenste MTM Strukturen ausgewählt um weitere Verbesserungen der Antennenstruktur zu ermöglichen und gleichzeitig die Einfachheit der Struktur zu bewahren, was mit konventionellen Gestaltungsmethoden nur schwer zu erreichen ist.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Dual linear Polarization Antennas and Arrays Chapter 3: Fundamental Theory of Metamaterials Chapter 4: Metamaterial Structures Design-Methodology Chapter 5: Design of Dual Linear Polarization Using CRLH-TL Metamaterial Line Feed Chapter 6: Cross Polarization Discrimination Enhancement of a Dual Linear Polarization Antenna Using Split Ring Resonator Chapter 7: Antenna Array Design Chapter 8: Conclusions and Future Work

In dieser Arbeit wurden spektroskopische und strukturelle Untersuchungen an chiralen und achiralen supramolekularen Nanoarchitekturen von J-Aggregaten achiraler Cyaninfarbstoffe durchgeführt. Als Modellsysteme wurden Tetrachlorobenzimidacarbocyanin- Farbstoffe mit unterschiedlichen 1,1´-Dialkyl- und 3,3´-Bis-acidoalkyl-Gruppen verwendet. Zur Charakterisierung der Nanostrukturen wurden statische spektroskopische Methoden - UV/Vis-Spektroskopie, Circulardichroismus (CD)- und Fluoreszenzspektroskopie -, Röntgenkristallstrukturanalyse,sowie kryogene Transmissionselektronenmikroskopie (Cryo-TEM) verwendet. Die delikate Balance der Wechselwirkungskräfte, wie z. B. hydrophobe Wechselwirkung, Dispersionswechselwirkung, sowie Wasserstoffbrücken, führt bei der J-Aggregation von strukturell ähnlichen achiralen Chromophoren zu "chiralen" Superhelices und achiralen nanoskopischen Bändern. Durch Kombination der hydrophoben und hydrophilen Eigenschaften von Tensiden mit den unikalen Eigenschaften von J-Aggregaten entstehen Nanoröhren und Vesikel. Diese Nanostrukturen sind daher vielversprechende Kandidaten für künstliche Lichtsammel- und Antennensysteme. / In this work spectroscopic and structural investigations were performed on chiral and achiral supramolecular nanoarchitectures of J-aggregates of achiral cyanine dyes. Tetrachlorobenzimidacarbocyanine dyes with different 1,1´-Dialkyl- and 3,3´-Bis-acidoalkyl- substituents were used as model systems. To characterize these nanoarchitectures static spectroscopic methods - UV/vis-spectroscopy, circular dichroism (CD)- and fluorescence-spectroscopy -, x-ray crystal structure analysis, as well as cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) were used. The delicate balance of intermolecular forces, like hydrophobic interaction, dispersion forces, as well as hydrogen bonds, leads by J-aggregation of structural similar achiral chromophores to "chiral" superhelices and achiral nanoscopic ribbons. By combination of the hydrophobic and hydrophilic properties of surfactants with the unique properties of J-aggregates nanotubules and vesicles are built. These nanostructures are hopeful candidates for artificial antenna and light harvesting systems.

Die Einführung des millimeter-Wellen-Bandes eröffnet neue Perspektiven für die Radio Frequency Identification (RFID) Kommunikationssysteme. Der Enwurf des Systems im 60-GHz-Band ermöglicht die Implementierung der On-Chip Antenne und darüber hinaus die Implementierung eines RFID-Tags auf einem einzigen Chip. Dennoch ist es aufgrund der gesetzlichen Beschränkung der effektiven isotropen Strahlungsleistung (EIRP) des Lesegeräts und der erhöhten Freiraum-Dielektrikumsverluste eine Herausforderung, eine zuverlässige Kommunikationsreichweite von mehreren Millimetern zu erreichen. Neue Lösungen sind für jeden Block sowohl im Lesegerät als auch im Single-Chip-Tag erforderlich. Obwohl das Lesegerät batteriebetrieben ist, ist es immer noch eine Herausforderung, die maximal zulässigen 20 dBm IERP des Lesersenders energieeffizient zu erzeugen. Darüber hinaus sollte der Empfänger einen ausreichenden Dynamikbereich haben, um das vom Tag kommende Signal zu erkennen. Auf der Tag-Seite sind die Hauptherausforderungen das Co-Design der effizienten On-Chip-Antennen-Implementierung, die hochempfindliche Gleichrichter-Implementierung und das Rückkommunikationskonzept. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Machbarkeitsstudie des Single-Chip-RFID-Tags und die Implementierung im Millimeterwellenbereich. Es werden zwei Rückkommunikationskonzepte untersucht - Backscattering-Rückkommunikation und eine Kommunikation unter Verwendung von Ultra-Low-Power (ULP) Radios. Beide werden in einem 22 nm FDSOI Prozess auf einem Substrat mit geringem Widerstand implementiert. Beide Tags arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 0,4 V, um die Kommunikationsreichweite zu maximieren. Die Link-Budgets sind so ausgelegt, dass sie die regulatorischen Beschränkungen einhalten. Die Auswahl des Technologieknotens wird begründet. Verschiedene Aspekte im Zusammenhang mit der Technologie werden diskutiert, wie z. B. Geräteleistung, passiver Qualitätsfaktor, Leistungsdichte der Kondensatoren. Der Backscattering RFID-Tag wird zuerst entworfen, da er eine relativ einfachere Topologie hat. Die Probleme der Gleichrichterempfindlichkeit im Rahmen des analogen Frontends, der On-Chip-Antenneneffizienz und der konjugierten Anpassung beider werden untersucht. Eine Kommunikationsreichweite von 5 mm wird angestrebt und realisiert. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, wird in der zweiten Phase ein Tag mit einer aktiven Rückkommunikation implementiert. Hier wird die Gleichrichterempfindlichkeit weiter verbessert. Es wird ein 0,4V ULP Radio entworfen, das sich die Antenne mit dem Gleichrichter über einen Single-Pole- Double-Through (SPDT) Schalter teilt. Ein Abstand von 2 cm erwies sich als realisierbar, wobei die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten und der dynamische Bereich des Leseempfängers nicht überschritten wurde. Es wird die höchste normalisierte Kommunikationsreichweite pro Leser-EIRP erreicht. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Phased array weather radar antennas with beam steering capabilities are suitable alternatives to weather radars with mechanically scanning reflector antennas. Dual-polarized phased-array weather radar antennas, however, demand careful assessment of the x-polar characteristics. The low x-pol radiation of polarimetric weather radar antennas is of significant importance for the proper classification and qualitative estimation of hydrometeors in illuminate volumes. Unfortunately, array antennas display changing x-pol contributions during the electronical beam steering process. Typically, the x-pol radiation will be substantially increased in the co-polar main beam direction but also in other angular directions. Consequently, it is a vital challenge to design arrays with low x-pol contribution during beam steering. In this dissertation a new phased-array weather radar concept is developed. The phased array system configuration can be used to substitute state-of-the-art weather radars with reflector antennas. Furthermore, a dense network of these phased-array radars can be used to substitute a network of high power weather radars, which are used nowadays. The research focus of this work is the development of a dual-polarized microstrip patch antenna with phased-array capability and very high polarization purity. In this regard, new graphical techniques are developed to investigate the causes and the reduction of the x-pol radiation of isolated (stand-alone) microstrip patch antennas. To further reduce the x-pol contribution of antennas, optimization methods have been investigated, evaluated and developed. For the first time in literature, differential-feed antenna arrays are compared to excitation optimized single-feed antenna arrays in their x-pol contribution in the boresight direction and during beam steering. In particular, two dual-polarized 4x8 antenna arrays have been developed and simulated by CST MWS, produced as multilayer PCB and verified at the compact antenna test range at RWTH Aachen. The results show that the x-pol contributions of arrays are significantly reduced for differentially-feed antenna arrays, even when beam steering is performed. During the azimuth scan of 120_ a record setting x-pol suppression of -45 dB and -36 dB could be measured for the horizontal and vertical polarization channels, respectively. / Wetterradarsysteme mit phasengesteuerten Antennen stellen eine echte Alternative zu Wetterradarsystemen mit mechanisch drehenden Reflektorantennen dar. Dual-polarisierte phasengesteuerte Antennen müssen jedoch sehr genau in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten verifiziert werden, um für den Wetterradarbereich von Nutzen zu sein. Die Unterdrückung der kreuzpolaren Anteile von Radarantennen ist von fundamentaler Bedeutung, um Hydrometeore mit Hilfe von polarimetrischen Wetterradarsystemen klassifizieren und qualitativ bestimmen zu können. Die hohe Anforderung an Polarisationsreinheit ist mit aktuell erhältlichen Arraydesigns nur schwierig zu realisieren, da sich die Kreuzpolarisationsunterdrückung während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule signifikant verschlechtert. Diese Dissertation stellt ein Wetterradar Systemkonzept mit phasengesteuerter Gruppenantenne vor, welches die aktuell genutzten Wetterradare mit Reflektorantennen ablösen könnte. Der Fokus der Arbeit wurde auf die Entwicklung einer Dual-polarimetrischen, polarisationsreinen und phasengesteuerten Mikrostreifenleiterantennen gelegt. Hierbei wurden neue grafische Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, die Generierung der kreuzpolaren Anteile von isolierten Patchantennen (Einzelpatche) zu erklären und zu minimieren. Um die kreuzpolaren Anteile weiter herabzusetzen wurden Optimierungsverfahren für Arrayantennen erforscht, bewertet und neu entwickelt. Zum ersten Mal wurden differentiell gespeiste mit einzeln gespeisten Antennenarrays in ihrem Kreuzpolarisationsverhalten während des elektronischen Schwenks der Hauptkeule verglichen. Zwei Dual- polarimetrische 4x8 Antennenarrays (differentiell gespeist und mit optimierter Phasenansteuerung) wurden zu diesem Zweck mittels CST MWS entworfen, simuliert, als Multilagenplatine gefertigt und an der Antennentestanlage der RWTH Aachen vermessen. Die Resultate zeigen, dass die Kreuzpolarisationsanteile bei differentiell gespeisten Mikrostreifenleiterantennen in Gruppenkonfiguration, selbst beim elektronischen Schwenk der Hauptkeule, signifikant minimiert werden konnten. Für einen azimutalen Scanbereich von 120_ konnte eine exzellente Kreuzpolarisationsunterdrückung zwischen -45 dB und -36 dB messtechnisch für den horizontalen und vertikalen Polarisationskanal nachgewiesen werden.

Die vorliegende Arbeit untersucht die grundsätzliche Machbarkeit, Radiofrequenzimpulse (RF) der Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) (B0≥7.0T) für therapeutische Verfahren wie die RF Hyperthermie oder die lokalisierte Freigabe von Wirkstoffträgern und Markern zu nutzen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein 8-Kanal Sened/Empfangsapplikator entwickelt, der bei einer Protonenfrequenz von 298MHz operiert. Mit diesem weltweit ersten System konnte in der Arbeit experimentell bewiesen werden, dass die entwickelte Hardware sowohl zielgerichtete lokalisierte RF Erwärmung als auch MR Bildgebung und MR Thermometrie (MRTh) realisiert. Mit den zusätzlichen Freiheitsgraden (Phase, Amplitude) eines mehrkanaligen Sendesystems konnte aufgezeigt werden, dass der Ort der thermischen Dosierung gezielt verändert bzw. festgelegt werden kann. In realitätsnahen Temperatursimulationen mit numerischen Modellen des Menschen, wird in der Arbeit aufgezeigt, dass mittels des entwickelten Hybridaufbaus eine kontrollierte und lokalisierte thermische Dosierung im Zentrum des menschlichen Kopfes erzeugt werden kann. Nach der erfolgreichen Durchführung dieser Machbarkeitsstudie wurden in theoretischen Überlegungen, numerischen Simulationen und in ersten grundlegenden experimentellen Versuchen die elektromagnetischen Gegebenheiten von MRT und lokal induzierter RF Hyperthermie für Frequenzen größer als 298MHz untersucht. In einem Frequenzbereich bis zu 1.44GHz konnte der Energiefokus mit Hilfe spezialisierter RF Antennenkonfigurationen entscheidend weiter verkleinert werden, sodass Temperaturkegeldurchmesser von wenigen Millimetern erreicht wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Konzepte ausreichende Signalstärke der zirkular polarisierten Spinanregungsfelder bei akzeptabler oberflächlicher Energieabsorption erzeugen, um eine potentielle Machbarkeit von in vivo MRT bei B0=33.8T oder in vivo Elektronenspinresonanz (ESR) im L-Band zu demonstrieren. / The presented work details the basic feasibility of using radiofrequency (RF) fields generated by ultrahigh field (UHF) magnetic resonance (MR) (B0≥7.0T) systems for therapeutic applications such as RF hyperthermia and targeted drug delivery. A truly hybrid 8-channel transmit/receive applicator operating at the 7.0T proton MR frequency of 298MHz has been developed. Experimental verification conducted in this work demonstrated that the hybrid applicator supports targeted RF heating, MR imaging and MR thermometry (MRTh). The approach offers extra degrees of freedom (RF phase, RF amplitude) that afford deliberate changes in the location and thermal dose of targeted RF induced heating. High spatial and temporal MR temperature mapping can be achieved due to intrinsic signal-to-noise ratio (SNR) gain of UHF MR together with the enhanced parallel imaging performance inherent to the multi-channel receive architecture used. Temperature simulations in human voxel models revealed that the proposed hybrid setup is capable to deposit a controlled and localized RF induced thermal dose in the center of the human brain. After demonstrating basic feasibility, theoretical considerations and proof-of-principle experiments were conducted for RF frequencies of up to 1.44GHz to explore electrodynamic constraints for MRI and targeted RF heating applications for a frequency range larger than 298MHz. For this frequency regime a significant reduction in the effective area of energy absorption was observed when using dedicated RF antenna arrays proposed and developed in this work. Based upon this initial experience it is safe to conclude that the presented concepts generate sufficient signal strength for the circular polarized spin excitation fields with acceptable specific absorption rate (SAR) on the surface, to render in vivo MRI at B0=33.8T or in vivo electron paramagnetic resonance (EPR) at L-Band feasible.