Der demografische Wandel und das Populationswachstum stellen eine globale Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Eine vielversprechende Lösungsstrategie liegt in der digitalen Überwachung, Prävention und Therapie akuter und chronischer Erkrankungen durch die Nutzung von innovativen Technologien aus dem Bereich der personalisierten Medizin. Die Digitalisierung in der Überwachung von Vitalparametern mittels Sensorik besitzt großes Potential für die längere Gesunderhaltung der Patienten und somit die Entlastung der Gesundheitssyteme im Ganzen. Da Wassermangel für eine Vielfalt von Krankheiten einen Katalysator darstellt, ist die Hydratation ein wichtiger aber bislang nur invasiv zugänglicher Vitalparameter. Zur Etablierung nicht invasiver Messungen des Wasserhaushaltes am Menschen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Eignung der Mikrowellentechnologie untersucht. Dehydratation resultiert in der Veränderung des Osmolythaushaltes und beeinflusst biochemische Prozesse, was zur Entstehung von Morbidität führen kann. Im Rahmen der Arbeit werden Teilbereiche der Entwicklung eines Medizinproduktes abgebildet. Zu diesem Zweck wird die Machbarkeit der mikrowellenbasierten Analyse des Wasserhaushaltes in einer technischen Machbarkeitsstudie untersucht, um im zweiten Prozessschritt einen technischen Demonstrator in vitro und in vivo am Probanden erproben zu können. Hochfrequente elektromagnetische Wellen interagieren mit Molekülen, speziell Wasser. Enthält eine Probe freie Wassermoleküle, kann dies im reflektierten Signal detektiert werden. Zur Überprüfung des Sensorsystems in vitro dienen humane 3D-Vollhautmodelle mit spezifischer Hydratation und Gewebedichte der Matrixkomponenten als standardisiertes Modell zur Untersuchung definierter Exsikkoseszenarien und des Einflusses verschiedener Modellkomplexitäten. Die Eignungsüberprüfung des Systems mit einem technischen Demonstrator des künftigen Medizinproduktes belegt die Anwendbarkeit des Messsystems zur Erfassung des relativen Wassergehaltes. Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität bei der Destinktion von Proben mittels Frequenz- und Signalreflektionsdifferenzen aus. Neben den In-vitro-Testungen wird das entwickelte Sensorsystem aus regulatorischer Sicht zur klinischen Leistungsüberprüfung vorbereitet und im Rahmen eines bewilligten Ethikvotums in vivo erprobt. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit der nichtinvasiven Erfassung des Wasserhaushaltes durch mikrowellenbasierte Messungen. Die Technologie birgt das Potential, in ein körpernahes Sensorsystem integriert zu werden, welches als Medizinprodukt zur persönlichen Gesundheitsüberwachung zugelassen werden kann. / The demographic change and the growth of mankind are challenging worldwide, especially for healthcare systems. One possible solution to keep humans healthier at all ages coeval fighting disease-related consequences is given by modern technologies for personalized disease treat-ment and digital health monitoring. The digitalization of the health care through new technological advance in personalized disease treatment and health monitoring using sensor-based technologies helps people to recover from illness or stay healthy, to monitor the health state of patients in need and to assist caregivers during their daily routine. This thesis aims to analyze microwave measurements as a technology to monitor the hydration status as a particularly important vital parameter, which can be catalyst for diverse secondary disorders. Wireless body area networks (WBANs) are used for individually tailored therapy of disease and preventive monitoring of health parameters. There are some already existing technologies but there is not yet a way to monitor non-invasively the entire health state and especially hydration as a particularly critical vital parameter. WBANs may help to pave the way for personalized med-icine, improve acute and preventive healthcare and support individual physical fitness. Tissue dehydration results in impaired biochemical processes, and can finally cause severe mor-bidity. The aim of this study was to demonstrate the feasibility of microwave measurements for the non-invasive analysis of the hydration status in vitro and in vivo and to develop a prototype of a medical device for this measurment. Moreover, accompanying regulatory aspects are con-sidered as a basis for an approval of the sensor technology as medical device. Electromagnetic waves at high frequencies interact with molecules, especially water. Thus, free water molecules can be detected via the reflected microwave signal. To develop the sensor system, human three-dimensional skin equivalents were instituted as a standardized test platform mimicking repro-ducible exsiccosis scenarios. Therefore, skin equivalents with a specific hydration and density of matrix components were generated and microwave measurements were performed. Hydration-specific spectra allowed deriving the hydration state of the skin models. A further advantage of the skin equivalents was the characterization of the impact of distinct skin components on the measured signals to investigate mechanisms of signal generation. Together with these in vitro results, the technology is investigated in vivo within initial testing scenarios on test subjects. The results demonstrate the feasibility of non-invasive microwave-based hydration measurements and thus the technologies potential to be integrated in a wearable medical device for personal digital health monitoring.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

In future cellular radio networks Radio over Fiber (RoF) is a very attractive technology to deliver microwave and millimeter-wave signals containing broad band multimedia services to numerous base stations of the network. The radio signals are placed on an optical carrier and distributed by means of an optical fiber network to the base stations (BS). In the BS the optical signals heterodyne in a photodiode to produce the radio signals which are then sent via a wireless link to the mobile units (MU). The optical fiber network provides high frequency, wideband, low loss and a means of signal distribution immune to electromagnetic interference. In this thesis, different methods of electrooptical upconversion were investigated. The generation of an optical double-sideband with suppressed carrier (DSB-SC) signal is a straightforward method due to the fact that only one optical modulator driven at half the millimeter-wave frequency is required. One or both sidebands were ASK-modulated with baseband data rates of up to 10 Gbps. Optical single sideband modulation proves to be dispersion resilient as error free transmission was demonstrated after 53 km of single mode fiber transmission for data rates up to 10 Gbps. Wireless links up to 7 m were also demonstrated, proving the feasibility of this approach for broadband wireless inhouse access systems. / Für zukünftige zellulare Funknetze ist „Radio over Fiber (RoF)“ eine sehr attraktive Technologie, um breitbandige Multimedia-Dienste mit Mikro- und Millimeterwellen zu übertragen. Die Funksignale werden dabei auf eine optische Trägerwelle aufmoduliert und mittels eines optischen Fasernetzes zu den Basisstationen (BS) verteilt. In den BS erfolgt die Überlagung der optischen Signale durch eine Fotodiode, um die Funksignale zu erzeugen. Diese werden dann über eine drahtlose Verbindung zu den beweglichen Multimedia-Endgeräten geschickt. Vorteile des optischen Fasernetzes sind Breitbandigkeit, geringe Dämpfung und eine gegenüber elektromagnetischen Störungen immune Signalverteilung. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der elektrooptischen Aufwärtskonversion erforscht und die wichtigsten Eigenschaften dieser untersucht. Die Erzeugung eines optischen Zweiseitenbandsignales mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine einfache Methode, da nur ein optischer Modulator, betrieben mit der halben elektrischen Trägerfrequenz, benötigt wird. Eine oder beide Seitenbänder konnten mit Bitraten bis zu 10 Gbps amplitudenmoduliert werden. Optische Einseitenbandmodulation ist extrem tolerant bezüglich der chromatischen Dispersion der Faser, wie die fehlerfreie Übertragung nach 53 km Glasfaser beweist. Drahtlose Links bis zu 7 m wurden realisiert und zeigen die Möglichkeit dieser Verfahren für breitbandige drahtlose Inhouse-Zugangssysteme.

Die Vakuum-Mikrowellentrocknung in Multimodekammern stellt eine Möglichkeit zur schnellen und fehlerfreien Trocknung von porösen Körpern dar. In der vorliegenden Arbeit wurden der Einfluss von spezifischer absorbierter Leistung, Kammerdruck, Probenlänge, Probendicke und Anfangsfeuchte auf die Trocknung von Schnittholz untersucht. In Abhängigkeit von Holzart und Anordnung konnten Trocknungsgeschwindigkeiten von bis zu 7 %/min erzielt werden. Die daraus resultierenden Trocknungszeiten ermöglichen die Nutzung einer kontinuierlichen Prozessführung, die die Beobachtung von einzelnen Brettern erlaubt. Die Ergebnisse der Arbeit erlauben eine Bewertung der Entwicklung von Feuchte- und Temperaturverteilung im Material bei Variation der genannten Parameter. Es werden Ansätze zur Steuerung eines kontinuierlichen Mikrowellentrocknungsprozesses und zur Gestaltung geeigneter Applikatoren vorgestellt. / One possibility to dry porous materials at high rates and without structural damage is vacuum microwave drying, a combination of low pressure and microwave application. The influence of specific absorbed power, pressure level, length and thickness of the sample and initial moisture content on drying was investigated by the example of wood. Drying rates of up to 7 %/min were reached depending on the wood species and the configuration. The resulting drying times are suitable to design a continuous process, which allows single board processing. The results of this work give the possibility to evaluate the development of moisture and temperature fields within the material during variation of the mentioned parameters. Basic approaches are discussed for the control of a continuous microwave drying process and for the qualified design of applicators.

In future cellular radio networks Radio over Fiber (RoF) is a very attractive technology to deliver microwave and millimeter-wave signals containing broad band multimedia services to numerous base stations of the network. The radio signals are placed on an optical carrier and distributed by means of an optical fiber network to the base stations (BS). In the BS the optical signals heterodyne in a photodiode to produce the radio signals which are then sent via a wireless link to the mobile units (MU). The optical fiber network provides high frequency, wideband, low loss and a means of signal distribution immune to electromagnetic interference. In this thesis, different methods of electrooptical upconversion were investigated. The generation of an optical double-sideband with suppressed carrier (DSB-SC) signal is a straightforward method due to the fact that only one optical modulator driven at half the millimeter-wave frequency is required. One or both sidebands were ASK-modulated with baseband data rates of up to 10 Gbps. Optical single sideband modulation proves to be dispersion resilient as error free transmission was demonstrated after 53 km of single mode fiber transmission for data rates up to 10 Gbps. Wireless links up to 7 m were also demonstrated, proving the feasibility of this approach for broadband wireless inhouse access systems. / Für zukünftige zellulare Funknetze ist „Radio over Fiber (RoF)“ eine sehr attraktive Technologie, um breitbandige Multimedia-Dienste mit Mikro- und Millimeterwellen zu übertragen. Die Funksignale werden dabei auf eine optische Trägerwelle aufmoduliert und mittels eines optischen Fasernetzes zu den Basisstationen (BS) verteilt. In den BS erfolgt die Überlagung der optischen Signale durch eine Fotodiode, um die Funksignale zu erzeugen. Diese werden dann über eine drahtlose Verbindung zu den beweglichen Multimedia-Endgeräten geschickt. Vorteile des optischen Fasernetzes sind Breitbandigkeit, geringe Dämpfung und eine gegenüber elektromagnetischen Störungen immune Signalverteilung. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der elektrooptischen Aufwärtskonversion erforscht und die wichtigsten Eigenschaften dieser untersucht. Die Erzeugung eines optischen Zweiseitenbandsignales mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine einfache Methode, da nur ein optischer Modulator, betrieben mit der halben elektrischen Trägerfrequenz, benötigt wird. Eine oder beide Seitenbänder konnten mit Bitraten bis zu 10 Gbps amplitudenmoduliert werden. Optische Einseitenbandmodulation ist extrem tolerant bezüglich der chromatischen Dispersion der Faser, wie die fehlerfreie Übertragung nach 53 km Glasfaser beweist. Drahtlose Links bis zu 7 m wurden realisiert und zeigen die Möglichkeit dieser Verfahren für breitbandige drahtlose Inhouse-Zugangssysteme.

Die Visualisierung bisher nicht nachweisbarer Defekte in hochwertigem Silizium konnte durch die Entwicklung neuer hochempfindlicher Mikrowellendetektionsverfahren erreicht werden. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur kontaktlosen und zerstörungsfreien Charakterisierung von Halbleitern. Insbesondere sind bisher unzugängliche Defekte in Silizium und selbst in dünnen epitaktischen Schichten nachweisbar. Elektrische Eigenschaften von Halbleitern wie Lebensdauer, Beweglichkeit und Diffusionslänge können bei kleinen Injektionsraten mit einer Ortsauflösung, die nur durch die Diffusionslänge der Ladungsträger limitiert ist, gemessen werden. Aufgrund der um mehrere Größenordnungen verbesserten Empfindlichkeit kann über ein Mikrowellenabsorptionssignal die Ladungsträgeremission aus Defekten selbst bei qualitativ hochwertigstem Silizium untersucht werden. Dies ermöglicht die Vorhersage elektrischer Eigenschaften von Bauelementen bereits an den Ausgangswafern.

Die Visualisierung bisher nicht nachweisbarer Defekte in hochwertigem Silizium konnte durch die Entwicklung neuer hochempfindlicher Mikrowellendetektionsverfahren erreicht werden. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur kontaktlosen und zerstörungsfreien Charakterisierung von Halbleitern. Insbesondere sind bisher unzugängliche Defekte in Silizium und selbst in dünnen epitaktischen Schichten nachweisbar. Elektrische Eigenschaften von Halbleitern wie Lebensdauer, Beweglichkeit und Diffusionslänge können bei kleinen Injektionsraten mit einer Ortsauflösung, die nur durch die Diffusionslänge der Ladungsträger limitiert ist, gemessen werden. Aufgrund der um mehrere Größenordnungen verbesserten Empfindlichkeit kann über ein Mikrowellenabsorptionssignal die Ladungsträgeremission aus Defekten selbst bei qualitativ hochwertigstem Silizium untersucht werden. Dies ermöglicht die Vorhersage elektrischer Eigenschaften von Bauelementen bereits an den Ausgangswafern.

Die Vakuum-Mikrowellentrocknung in Multimodekammern stellt eine Möglichkeit zur schnellen und fehlerfreien Trocknung von porösen Körpern dar. In der vorliegenden Arbeit wurden der Einfluss von spezifischer absorbierter Leistung, Kammerdruck, Probenlänge, Probendicke und Anfangsfeuchte auf die Trocknung von Schnittholz untersucht. In Abhängigkeit von Holzart und Anordnung konnten Trocknungsgeschwindigkeiten von bis zu 7 %/min erzielt werden. Die daraus resultierenden Trocknungszeiten ermöglichen die Nutzung einer kontinuierlichen Prozessführung, die die Beobachtung von einzelnen Brettern erlaubt. Die Ergebnisse der Arbeit erlauben eine Bewertung der Entwicklung von Feuchte- und Temperaturverteilung im Material bei Variation der genannten Parameter. Es werden Ansätze zur Steuerung eines kontinuierlichen Mikrowellentrocknungsprozesses und zur Gestaltung geeigneter Applikatoren vorgestellt. / One possibility to dry porous materials at high rates and without structural damage is vacuum microwave drying, a combination of low pressure and microwave application. The influence of specific absorbed power, pressure level, length and thickness of the sample and initial moisture content on drying was investigated by the example of wood. Drying rates of up to 7 %/min were reached depending on the wood species and the configuration. The resulting drying times are suitable to design a continuous process, which allows single board processing. The results of this work give the possibility to evaluate the development of moisture and temperature fields within the material during variation of the mentioned parameters. Basic approaches are discussed for the control of a continuous microwave drying process and for the qualified design of applicators.

Der Betrieb eines Freien Elektronen Lasers (FEL), bei dem die spontan emittierte Undulatorstrahlung ueber Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl selbst verstaerkt wird, setzt eine praezise Ausrichtung des Elektronenstrahls mit dem Photonenstrahl voraus. Um den Ueberlapp von Elektronen-und Photonenstrahl zu gewaehrleisten, wurde ein neuartiger Typ von Wellenleiter-Strahllagemonitor entwickelt, der in eine Vakuumkammer des Undulators des FELs der TESLA Test Facility (TTF) integriert ist. Vier um das Strahlrohr verteilte Wellenleiter koppeln ueber schmale Schlitze einen Bruchteil jenes elektromagnetischen Feldes aus, welches den Strahl begleitet. Die induzierten Signale haengen von der transversalen Strahlposition und der Strahlintensitaet ab. Mit vier Schlitz-Wellenleiter Paaren laesst sich ein lineares Signal ableiten, anhand dessen die Position des Elektronenstrahls bestimmt werden kann. Die induzierten Signale werden mittels eines stegbelasteten Wellenleiters in die erste Stufe eines bei 12 GHz arbeitenden Empfaengers zugefuehrt. Die vorliegende Arbeit beschreibt Design, Tests und Implementierung dieses neuartigen Typs von Strahllagemonitor. / The operation of a free electron laser working in the Self Amplified Spontaneous Emission mode (SASE FEL) requires the electron trajectory to be aligned with very high precision in overlap with the photon beam. In order to ensure this overlap, one module of the SASE FEL undulator at the TESLA Test Facility (TTF) is equipped with a new type of waveguide beam position monitor (BPM). Four waveguides are arranged symmetrically around the beam pipe, each channel couples through a small slot to the electromagnetic beam field. The induced signal depends on the beam intensity and on the transverse beam position in terms of beam--to--slot distance. With four slot--waveguide combinations a linear position sensitive signal can be achieved, which is independent of the beam intensity. The signals transduced by the slots are transferred by ridged waveguides through an impedance matching stage into a narrowband receiver tuned to 12 GHz. The present thesis describes design, tests, and implementation of this new type of BPM.

Im Rahmen der Dissertation wurde ein Messsystem für die Bestimmung der komplexen Permittivität von inhomogenen Stoffen bei hohen Temperaturen entwickelt, gebaut und getestet. Die Messungen des Realteils sind wenig von Störungen betroffen, Messungen des Imaginärteils unterliegen Messschwankungen bis zu 20 %. Der Effekt nimmt mit steigendem Imaginärteil ε'' ab. Der Einfluss verschiedener Messsystemkomponenten wurde untersucht, darunter der Einfluss eines Wärmestrahlungsschutzes, der Probenposition und der Messauflösung des verwendeten Vektornetzwerkanalysators. Alle Fehlerquellen wurden als hinreichend klein bewertet. Anschließend wurden verschiedene Feuerfestmaterialien aus der Glasindustrie und ein beispielhaftes Glasgemenge untersucht und die Ergebnisse mit Mikrowellenerwärmungsversuchen verglichen. Eine qualitative Übereinstimmung konnte nachgewiesen werden. Abschließend wurden Empfehlungen für die Konstruktion von mikrowellengestützten Glasschmelzaggregaten gegeben.