Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

Abnormal electromagnetic wave propagation characterized by negative group velocity and consequently negative group delay (NGD) has been observed in certain materials as well as in artificially built structures. Within finite frequency intervals where an NGD phenomenon is observed, higher frequency components of the applied waveform are propagated with phase advancement, not delay, relative to the lower frequency components. These media have found use in many applications that require positive delay compensation and an engineered phase characteristic, such as eliminating phase variation with frequency in phase shifters, beam-squint minimization in phased array antenna systems, size reduction of feed-forward amplifiers and others. The three principal questions this thesis addresses are: can a generic formulation for artificial NGD structures based on electric circuit resonators be developed; is it possible to derive a quantitative functional relationship (asymptotic limit) between the maximum achievable NGD and the identified trade-off quantity (out-of-band gain); and, can a microwave circuit exhibiting a fully loss-compensated NGD propagation in both directions be designed and implemented? A generic frequency-domain formulation of artificial NGD structures based on electric circuit resonators is developed and characterized by three parameters, namely center frequency, bandwidth and the out-of-band gain. The developed formulation is validated through several topologies reported in the literature. The trade-off relationship between the achievable NGD on one hand, and the out-of-band gain on the other, is identified. The out-of-band gain is shown to be proportional to transient amplitudes when waveforms with defined “turn on/off” times are propagated through an NGD medium. An asymptotic limit for achievable NGD as a function of the out-of-band gain is derived for multi-stage resonator-based NGD circuits as well as for an optimally engineered linear causal NGD medium. Passive NGD media exhibit loss which can be compensated for via active elements. However, active elements are unilateral in nature and therefore do not allow propagation in both directions. A bilateral gain-compensated circuit is designed and implemented, which overcomes this problem by employing a dual-amplifier configuration while preserving the overall circuit stability.

Η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην τεχνολογική εξέλιξη του κόσμου τα τελευταία 50 χρόνια. Από τα ραντάρ μέχρι τη Μικροκυματική Ραδιομετρία, η ανίχνευση με τη χρήση μικροκυμάτων έχει χρησιμοποιηθεί για έναν αυξανόμενο αριθμό εφαρμογών σε διάφορα επιστημονικά πεδία, μεταξύ των οποίων η χαρτογράφηση του εδάφους, ο καθορισμός της υγρασίας του εδάφους, η θερμογραφία και η ανίχνευση του καρκίνου του μαστού. Έτσι, οι μικροκυματικοί αισθητήρες, διαθέτοντας την ικανότητα να διαπερνούν πολλά είδη μέσων (πχ. σύννεφα, βιολογικοί ιστοί), έχουν μια σημαντική θέση ανάμεσα σε άλλες τεχνικές μέτρησης. Η Μικροκυματική Ραδιομετρία αποτελεί ένα σημαντικό τομέα της επιστημονικής έρευνας και εφαρμογής της ανίχνευσης με τη χρήση μικροκυμάτων, καθώς αποτελεί μια παθητική μέθοδο ανίχνευσης της φυσικά εκπεμπόμενης χαοτικής θερμικής ακτινοβολίας από κάθε σώμα που βρίσκεται σε θερμοκρασία άνω του απόλυτου μηδενός (-273 Κελσίου). Ένα μικροκυματικό ραδιόμετρο είναι η συσκευή που χρησιμοποιείται για τη διεξαγωγή ραδιομετρικών μετρήσεων. Η ραδιομετρία έχει αποτελέσει ένα σημαντικό τομέα έρευνας όχι μόνο για την αξιολόγηση της ατμόσφαιρας και της επιφάνειας της γης, αλλά και για την περαιτέρω διερεύνηση των παθητικών μετρήσεων, με σημαντικές εφαρμογές ειδικά στον τομέα της βιοϊατρικής. Στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής μελετήθηκε σε θεωρητικό και πειραματικό επίπεδο η βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων ανίχνευσης ενός Τρισδιάστατου Συστήματος Παθητικής Μικροκυματικής Ραδιομετρικής Απεικόνισης για διαγνωστικές εφαρμογές εγκεφάλου. Η καινοτομία της προτεινόμενης μεθόδου έγκειται στη χρήση μιας αγώγιμης ελλειψοειδούς κοιλότητας που δρα σαν μορφοποιητής δέσμης, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη συγκέντρωση και εστίαση της ακτινοβολίας που εκπέμπει το φυσικό σώμα ενδιαφέροντος, σε συνδυασμό με ευαίσθητους ραδιομετρικούς δέκτες και ομοιοκατευθυντικές κεραίες λήψης στο φάσμα συχνοτήτων 1 – 4 GHz. Η μέτρηση πραγματοποιείται με την τοποθέτηση του ανθρώπινου εγκεφάλου στην περιοχή της πρώτης εστίας και τη λήψη της ακτινοβολίας που συγκλίνει, μέσω ανάκλασης στα τοιχώματα του ελλειψοειδούς, στη δεύτερη εστία. Εκεί είναι τοποθετημένη η κεραία λήψης που συνδέεται στον ευαίσθητο ραδιομετρικό δέκτη. VI Με σκοπό τη βελτίωση των ιδιοτήτων εστίασης του συστήματος, πραγματοποιήθηκε η μοντελοποίησή του και ακολούθησε εκτενής ηλεκτρομαγνητική μελέτη για την ανάλυση της επίδρασης διατάξεων προσαρμογής από κατάλληλα υλικά στο εσωτερικό της ελλειψοειδούς κοιλότητας. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως με τη σωστή επιλογή των υλικών και των ιδιοτήτων τους, είναι δυνατό να επιτευχθεί σημαντική βελτίωση του βάθους ανίχνευσης του κατωφλίου ανίχνευσης θερμοκρασίας και της χωρικής διακριτικής ικανότητας του συστήματος. Τα πειράματα με ομοιώματα που πραγματοποιήθηκαν, επαληθεύουν τις βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος καθώς επίσης και την ευεργετική επίδραση των διατάξεων προσαρμογής στις ιδιότητες εστίασής του, που μελετήθηκαν θεωρητικά στο πρώτο στάδιο της έρευνας,. Τέλος, οι πειραματικές διαδικασίες, που σχεδιάστηκαν με βάση πιθανές κλινικές εφαρμογές του συστήματος, δείχνουν ότι έχει βασικά χαρακτηριστικά και ιδιότητες ώστε να αποτελέσει στο μέλλον κλινικό, διαγνωστικό εργαλείο. / Microwave sensing has played an increasingly significant role in the world’s technological advances over the past 50 years. From radar to radiometry, microwave sensing has been used for a large number of applications, including ground mapping, soil moisture determination, thermography, and breast cancer detection. With the ability to safely penetrate many kinds of media (e.g., clouds or biological specimens), microwave sensors find a significant place among other modalities of measurement. Microwave radiometry is an important scientific research and application area of microwave sensing because it provides a passive sensing technique for detecting naturally emitted chaotic thermal radiation by any material object being above the absolute zero temperature (-273 Celsius). A microwave radiometer is the device used to conduct radiometric measurements. While radiometry has been a significant research field for atmospheric and earth surface evaluations, it lends itself to further exploration of passive measurements, with significant applications especially in the biomedical field. In the framework of the present PhD Thesis, a theoretical and experimental optimization study of the sensing capabilities of a Three Dimensional Passive Microwave Radiometry Imaging System for brain diagnostic applications was performed. The novelty of the proposed methodology consists in the use of a conductive ellipsoidal cavity acting as a beamformer to achieve maximum peak of radiation pattern in order to measure the intensity of the microwave energy, radiated by the medium of interest, by using sensitive microwave radiometers and relevant non – contacting antennas within the range of 1 – 4 GHz. The measurement is realized by placing the human brain in the region of the first focus and collecting the radiation converged at the second focus by a receiving antenna connected to the sensitive radiometer. Towards the improvement of the system’s focusing properties, extended electromagnetic analysis was performed in order to validate the impact of matching configurations made from appropriate materials, located inside the ellipsoidal cavity. The results show that with the appropriate choice of materials and careful assessment of their properties, it is possible to significantly improve the system’s detection depth, temperature detection level and spatial sensitivity. VIII The experimental procedures that were performed verify the proof of concept and confirm the beneficial impact of matching configurations on the system’s focusing properties, which was theoretically studied in the first part of the research. Finally, the experimental set used in the study, related to possible clinical applications, produced promising results regarding the potential perspective of the system to serve as a future clinical diagnostic tool.