With the rapid development of wireless communication systems driven by the demand for higher data rates and sufficient coverage, a factor that may limit communication performance is the compliance requirements for radio frequency (RF) electromagnetic field (EMF) exposure. This thesis presents a holistic study on the EMF exposure in modern antenna systems, facilitating improvements in RF device communication performance while fulfilling EMF exposure compliance. The thesis provides comprehensive studies from an evaluation process to the EMF solutions for sub-6 GHz indoor base stations, and early research for Frequency Range 2 (FR2) and FR3 RF equipment.

For sub-6 GHz indoor base stations (BSs), two main contributions are made. First, a holistic evaluation framework is established to assess power-related multiplexing efficiency, considering antenna radiation characteristics, indoor propagation scenarios, and the power reduction resulting from ensuring EMF compliance at any distance from the device (i.e. touch compliance). The proposed evaluation framework gives antenna designers a valuable basis for comparing and optimizing MIMO antenna systems while considering specific absorption rate (SAR) touch compliance and various deployment scenarios for indoor BSs. Second, passive and active EMF solutions are developed to achieve improved communication performance while ensuring EMF touch compliance. Regarding passive designs, two antenna are proposed, including a dedicated monopole antenna and a patch antenna. These designs spread the SAR distributions and thus lower the peak SAR levels, achieving touch compliance for indoor BSs without power reduction. In addition, a novel active EMF solution is proposed by reusing the communication antenna as a proximity sensor. By detecting human proximity through variations in the antenna's reflection coefficient, the BS can maintain high transmission power during normal operation and only trigger power back-off mechanisms when a human body enters the EMF exclusion zone.

As 6G systems can shift toward FR2 and FR3 bands, where the exposure metrics are absorbed power density (APD) and incident power density (IPD), three further contributions are made. First, a comprehensive review of state-of-the-art IPD and APD assessment methodologies is conducted. It aims to identify open challenges and potential future directions for accurate assessment of EMF exposure. Second, a novel metasurface-based conformal human phantom is proposed, with the potential to serve as a new test equipment for EMF assessment. Finally, an analysis of the implications of APD limits on 6G user equipment (UE) is conducted, establishing system design benchmarks, such as maximum allowed transmitted power and equivalent isotropically radiated power (EIRP) levels, for both single- and dual-antenna systems within the 6-15 GHz spectrum.

In conclusion, the contributions of this thesis provide a set of tools related to EMF exposure research. The work also helps the future FR2/3 device development and EMF assessment equipment.

Med den snabba utvecklingen av trådlösa kommunikationssystem, driven av kravet på högre datahastigheter och tillräcklig täckning, är en faktor som kan begränsa kommunikationsprestandan kraven på efterlevnad av regler för exponering av radiofrekventa (RF) elektromagnetiska fält (EMF). Denna avhandling presenterar en holistisk studie av EMF-exponering i moderna antennsystem, vilket underlättar förbättringar av RF-enheters kommunikationsprestanda samtidigt som kraven för EMF-exponering uppfylls. Avhandlingen omfattar omfattande studier, från en utvärderingsprocess till EMF-lösningar för inomhusbasstationer under 6 GHz, samt tidig forskning för utrustning i frekvensområdena FR2 (Frequency Range 2) och FR3.

För inomhusbasstationer (BS) under 6 GHz görs två huvudsakliga bidrag. För det första fastställs ett holistiskt utvärderingsramverk för att bedöma effektrelaterad multiplexeringseffektivitet, med hänsyn till antennens strålningsegenskaper, inomhusutbredningsscenarier och den effektreducering som följer av att säkerställa EMF-efterlevnad på alla avstånd från enheten (dvs. efterlevnad vid beröring). Det föreslagna utvärderingsramverket ger antenndesigners en värdefull grund för att jämföra och optimera MIMO-antennsystem, samtidigt som man beaktar efterlevnad av specifik absorptionsnivå (SAR) vid beröring och olika utbyggnadsscenarier för inomhusbasstationer. För det andra utvecklas passiva och aktiva EMF-lösningar för att uppnå förbättrad kommunikationsprestanda samtidigt som efterlevnad vid beröring säkerställs. När det gäller passiva konstruktioner föreslås två antenner, däribland en specialutformad monopolantenn och en patchantenn. Dessa konstruktioner sprider ut SAR-fördelningarna och sänker därmed de maximala SAR-nivåerna, vilket möjliggör efterlevnad vid beröring för inomhusbasstationer utan effektreducering. Därutöver föreslås en ny aktiv EMF-lösning genom att återanvända kommunikationsantennen som en närhetssensor. Genom att detektera mänsklig närhet via variationer i antennens reflektionskoefficient kan basstationen bibehålla hög sändningseffekt under normal drift och endast aktivera effektregleringsmekanismer när en människokropp beträder EMF-skyddszonen.

I takt med att 6G-system kan skifta mot FR2- och FR3-banden, där exponeringsmåtten är absorberad effekttäthet (APD) och infallande effekttäthet (IPD), görs ytterligare tre bidrag. För det första genomförs en omfattande genomgång av toppmoderna bedömningsmetoder för IPD och APD. Syftet är att identifiera öppna utmaningar och potentiella framtida riktningar för korrekt bedömning av EMF-exponering. För det andra föreslås ett nytt metaytebaserat konformt mänskligt fantom, med potential att fungera som en ny mätutrustning för EMF-bedömning. Slutligen genomförs en analys av konsekvenserna av APD-gränser för 6G-användarutrustning (UE), vilket fastställer riktmärken för systemdesign, såsom maximalt tillåten sändningseffekt och nivåer för ekvivalent isotropiskt utstrålad effekt (EIRP), för både enkel- och dubbelantennsystem inom spektrumet 6–15 GHz.

Sammanfattningsvis bidrar denna avhandling med en uppsättning verktyg relaterade till EMF-exponeringsforskning. Arbetet bidrar även till framtida enhetsutveckling för FR2/3 och utrustning för EMF-bedömning.