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The particular challenge for modeling wearable and implantable wireless systems for on-body communications lies in the near-field coupling of the antenna and the dissipative tissue. Hence, so far, the antennas could not be considered separately from the propagation channel in the system description. Therefore, methods for the systematic antenna design of on-body applications are developed, whereas the antennas are characterized de-embedded. First, a method for characterizing on-body antennas is developed based on physical modeling of the propagation along the tissue. Furthermore, on-body antenna parameters are derived, representing an adapted form of the standard free-space antenna parameters. Secondly, a method for modeling on-body links based on spherical wave functions (SWF) is developed. It enables obtaining separate models of the antennas and the channel at a higher level of abstraction. Since the developed on-body antenna parameters are defined closely to the standard free-space definitions, an intuitive characterization of on-body antennas is possible. Furthermore, an antenna test range is developed for assessing the defined on-body antenna parameters for physical prototypes. As shown by the examples evaluated, the on-body antenna parameters and the determined transmission equation, analogous to the Friis equation in free-space, can also be used to model the entire wireless system. However, the difficulty lies in determining the directional channel model, which is costly and not universally possible for any application. The developed method based on SWF complements the characterization methods, as channels of any complexity can be modeled since the method could be implemented numerically. Beyond the characterization of on-body antennas and channels, the design of optimized antennas for these applications presents a substantial challenge. Based on the derived on-body transmission equation, antenna optimization can be done directly by maximizing the on-body ant, Die besondere Herausforderung bei der Modellierung von am Körper getragenen und implantierbaren drahtlosen Systemen liegt in der Nahfeldkopplung der Antenne und des dissipativen Gewebes. Daher konnten bisher die Antennen nicht getrennt vom Ausbreitungskanal in der Systembeschreibung berücksichtigt werden. Aus diesem Grund werden Methoden für die systematische Antennenentwicklung von On-Body-Anwendungen entwickelt, wobei die Antennen separat (de-embedded) charakterisiert werden können. Zunächst wird eine Methode zur Charakterisierung von On-Body-Antennen entwickelt, die auf der physikalischen Modellierung der Ausbreitung entlang des Gewebes basiert. Darüber hinaus wurden On-Body-Antennenparameter abgeleitet, die eine angepasste Form der Standardantennenparameter für den freien Raum darstellen. Desweiteren wird eine Methode zur Modellierung von On-Body-Verbindungen auf Grundlage von sphärischen Wellenfunktionen entwickelt. Diese ermöglicht es, getrennte Modelle der Antennen und des Kanals auf einer höheren Abstraktionsebene zu erhalten. Da die entwickelten On-Body-Antennenparameter in enger Anlehnung an die Standarddefinitionen für den freien Raum definiert sind, ist eine intuitive Charakterisierung von On-Body-Antennen möglich. Weiterhin wird ein Antennenmesssystem entwickelt, um die definierten Antennenparameter für physische Prototypen auswerten zu können. Wie die untersuchten Beispiele zeigen, können die On-Body-Antennenparameter und die ermittelte Übertragungsgleichung, analog zur Friis-Gleichung im Freiraum, auch zur Modellierung des gesamten Funksystems verwendet werden. Die Schwierigkeit liegt hier jedoch in der Bestimmung des Kanalmodells, die aufwändig und nicht für jede Anwendung universell möglich ist. Die entwickelte Methode auf Basis sphärischer Wellenfunktionen (SWF) ergänzt die Charakterisierungsmethoden, da aufgrund der numerischen Implementierung hiermit Kanäle beliebiger Komplexität modelliert werden können. Neben der Charakterisierung von On-Body-A

This thesis deals with the systematic analysis and design of multimode antennas based on characteristic modes. A multimode antenna is a single physical antenna element with several independent antenna ports. The ports are intended to excite mutually orthogonal radiation patterns in order to provide pattern and polarization diversity. Therefore, the use of multimode antennas is a space-efficient alternative for multiple-input multiple-output (MIMO) systems compared to conventional antenna arrays with spatially distributed antenna elements. A systematic analysis and design of multimode antennas is enabled by means of the theory of characteristic modes. This is due to the fact that the characteristic modes of an arbitrary antenna object possess advantageous orthogonality properties. In particular, the modal radiation patterns are orthogonal to each other. Therefore, the ports of a multimode antenna should excite mutually exclusive sets of characteristic modes. This way, perfectly uncorrelated antenna ports are realized by exploiting the diversity potential of the characteristic modes. In order to selectively excite a certain set of characteristic modes, their characteristic surface current densities must be orthogonal to those of all other modes. This orthogonality property, however, is not guaranteed by the theory of characteristic modes. It is found, though, that the orthogonality of the characteristic surface current densities is governed by the symmetry of the antenna. This is due to the fundamental fact that the characteristic surface current densities are basis functions of the irreducible representations of the symmetry group of an antenna. Characteristic surface current densities belonging to different irreducible representations or belonging to different rows of a multi-dimensional irreducible representation are orthogonal to each other. The mutually orthogonal sets of characteristic surface current densities are thus found by assigning the characteristic mode

The use of wireless communication technologies for the intercommunication of body-worn applications is increasing rapidly nowadays. In accordance with the ongoing miniaturization of wearable devices, the interaction between the antenna and the user becomes more and more intense. As a result of the inability of the traditional free-space antenna theory to describe the excitation of on-body surface waves, this has so far led to insufficient insights into the development of such body-centric systems. Hence, the aim of this thesis is to derive on-body antenna parameters and physically motivated EM propagation models that can be used to develop scalable path gain models as well as optimized design strategies. Considering planar dissipative surfaces, an intuitive propagation model is discussed, which follows the classical Sommerfeld problem. An appropriate solution for quasi-static ranges is adapted and consulted to discuss basic principles of electromagnetic propagation of on-body line-of-sight scenarios for selected frequencies between 400 MHz and 60 GHz. Based on these results, an antenna de-embedding is introduced in the course of this thesis, which is capable of modeling the average radiated antenna far field. Furthermore, a decomposition of the total on-body far field into a TM field component and a TE one is discussed to define two equivalent electric dipole sources. This approach enables the definition of the on-body directivity as well as the effective antenna area to discuss the radiation properties of the corresponding antenna geometry in terms of on-body communications. While this approach is primarily limited to line-of-sight propagations, a cylindrical dielectric phantom is introduced to cover non-line-of-sight links as well. In this case, the introduced de-embedding method is used to model the quasi-static range while the bended propagation path is treated by an adapted cylindrical model, which emphasizes the TM/TE-related far field decomposition of the pla, Funkapplikationen im und am Körper werden zunehmend in unterschiedlichen Lebensbereichen eingesetzt. Die fortschreitende Miniaturisierung solcher Geräte führt häufig dazu, dass der Nutzer selbst zum prägenden Teil der Funkanwendungen wird. Die primär der Körperkontur folgenden Übertragungsstrecken sind hierbei nicht durch herkömmliche Freiraumfunkfelddämpfungsmodelle nachzubilden, da der dominante Ausbreitungsmechanismus auf Oberflächenwellen zurückzuführen ist. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Definition adaptierter Antennenparameter und die Entwicklung skalierbarer physikalisch motivierter Kanalmodelle. Die theoretischen Grundlagen zur Wellenausbreitung entlang ebener verlustbehafteter Grenzschichten werden durch das klassische Sommerfeldproblem eingeführt. Diesbezüglich wird eine Lösung für den quasi-stationären Funkfeldbereich aufgezeigt und zur Diskussion grundlegender elektromagnetischer Ausbreitungsphänomene im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 60 GHz herangezogen. Basierend hierauf wird eine Methode zum Antennen-de-embedding vorgestellt, welche die Abschätzung des durchschnittlich zu erwartenden Antennenfernfeldes ermöglicht. Des Weiteren wird das körpergebundene Fernfeld in eine TM und eine TE Komponente zerlegt, um seine Wirkung auf zwei äquivalente elektrische Dipole abzubilden. Dieser Ansatz ermöglicht die Definition von On-Body Antennenparameter, u.a. Direktivität und Antennenwirkfläche, welche zur systematischen Klassifikation körpergetragener Antennen herangezogen werden. Während dieser Ansatz hinreichend zur Beschreibung direkter Ausbreitungspfade verwendet werden kann, ist ihre Verwendung bei gekrümmten Ausbreitungspfaden durch das zugrunde gelegte ebene Modell beschränkt. Diese Limitation wird durch Einführung eines zylindrischen Phantommodells umgangen, indem das ebene Modell zur Modellierung des quasistationären Feldbereichs verwendet wird und das Zylindermodel weiter entfernte Distanzen beschreibt. Die Modellentwicklung wird hierbei