Focal Spot, Fall/Winter 1998

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Survey of energy efficient tracking and localization techniques in buildings using optical and wireless communication media

This paper presents a survey of beamforming, beamsteering and mobile tracking techniques. The survey was made in the context of the SOWICI project. The aim of this project is to reduce power consumption of data exchanging devices within houses. An optical fiber network is used for data transport to and from rooms whereas wireless transceivers communicate with appliances within the rooms. Using this approach, the aim is to reduce power consumption and exposure to electromagnetic radiation. To realize this, beamforming will be used to only radiate energy in, and receive signals from, the direction of interest. Because appliances within households can move, some of them even relatively fast, the pointing direction of the beam should be steerable. The pointing direction can be deduced from the communication link (beamsteering) or via separate mobile tracking techniques

Ray-tracing-based mm-wave beamforming assessment

The use of large-size antenna arrays to implement pencil-beam forming techniques is becoming a key asset to cope with the very high throughput density requirements and high path-loss of future millimeter-wave (mm-wave) gigabit-wireless applications. Suboptimal beamforming (BF) strategies based on search over discrete set of beams (steering vectors) are proposed and implemented in present standards and applications. The potential of fully adaptive advanced BF strategies that will become possible in the future, thanks to the availability of accurate localization and powerful distributed computing, is evaluated in this paper through system simulation. After validation and calibration against mm-wave directional indoor channel measurements, a 3-D ray tracing model is used as a propagation-prediction engine to evaluate performance in a number of simple, reference cases. Ray tracing itself, however, is proposed and evaluated as a real-time prediction tool to assist future BF techniques

Design and performance evaluation of millimeter-wave flat lens antennas for communications, radar and imaging applications

Millimeter-wave systems introduce a set of particular severe requirements from the antenna point of view in order to achieve specific performances. In this sense, high directive antennas are required to overcome the huge extra path loss. Moreover, each particular application introduces additional requirements. For example, in very high throughput (VHT) wireless personal area networks (WPANs) communication systems at 60 GHz band beam-steering antennas are needed to deal with high user random mobility and human-body shadowing characteristic of indoor environments. Similarly, beam-steering capabilities are also needed in automotive radar applications at 79 GHz, since the determination of the exact position of an object is essential for most of the functions realized by the radar sensor. In the same way, beam-scanning, which is still commonly mechanically performed nowadays, is also needed in passive imaging systems at 94 GHz. Finally, from the integration perspective, the antennas must be small, low-profile, light weight and low-cost, in order to be successfully integrated in a commercial millimeter-wave wireless system. For these reasons, many types of antenna structures have been considered to achieve high directivity and beam-steering capabilities for the aforementioned millimeter-wave communication, radar and imaging applications at 60, 79 and 94 GHz. The most part of the currently adopted solutions are based on the expensive, complex and bulky phased-array antena concept. Actually, phased-array antenna systems can scan the beam at a fast rate. However, they require a complex integration of many expensive, lossy and bulky circuits, such as solid-state phase shifters and beam-forming networks. This doctoral thesis has contributed to the study, development, and assessment of the performance of innovative antena solutions in order to improve the existing architectures at millimeter-wave frequencies, conveniently solving the problems related specifically to short-range high data rate communication systems at 60 GHz WPAN band (including future 5G millimeter-wave systems), automotive radar sensors at 79 GHz band, and communications, radar, and imaging systems at 94 GHz. The specific goals pursued in this work, focused on defining an alternative antenna architecture able to achieve a full reconfigurable 2-D beam-scanning of high gain radiation beams at millimeter-wave frequencies, has been fulfilled. In this sense, this thesis has been mainly devoted to study in depth and practically develop the fundamental part of an innovative switched-beam antenna array concept: novel inhomogeneous gradient-index dielectric flat lenses, which, despite their planar antenna profile configurations, allow full 2-D beam-scanning of high gain radiation beams. A transversal study, going from theoretical investigations, passing by numerical analysis, new fabrication strategies, performance evaluation, and to full experimental assessment of the new antenna architectures in real application environment has been successfully carried out.Los sistemas a frecuencias de ondas milimétricas introducen una serie de requisitos muy estrictos desde el punto de vista de la antena con el objetivo de conseguir unos rendimientos específicos. En este sentido, se requieren antenas con una muy alta directividad con tal de conseguir superar las enormes pérdidas adicionales por propagación. Además, cada aplicación en concreto introduce unos requisitos adicionales. Por ejemplo, en redes de área personal de alta velocidad para sistemas de comunicación a la banda de 60 GHz, antenas con la capacidad de reconfiguración del haz de radiación son necesarias para poder tratar la problemática de la alta movilidad de los usuarios en entornos cerrados. De la misma forma, capacidades de reconfiguración de la orientación del haz de radiación son necesarias en aplicaciones relacionadas con radar de automoción a 79 GHz, dado que la determinación de la posición exacta de un objeto es esencial para muchas de las funciones del sensor de radar. De forma muy similar, la capacidad de apuntamiento del haz, que muchas veces todavía se realiza mediante sistemas mecánicos, es también imprescindible en sistemas de escaneo para aplicaciones biomédicas y de seguridad a 94 GHz. Finalmente, desde la perspectiva de la integración, las antenas deben ser eléctricamente pequeñas, ligeras, y económicas para poder ser incorporadas a un sistema inalámbrico comercial a frecuencias de onda milimétricas. Por todos estos motivos, diferentes tipos de estructuras de antenas han sido propuestos para conseguir alta directividad, junto con capacidades de reconfiguración y apuntamiento del haz de radiación para las aplicaciones anteriormente mencionadas y descritas en la banda de 60, 79, y 94 GHz. La solución tradicionalmente adoptada en este tipo de casos està estrictamente basada en el siempre caro, complejo y aparatoso concepto del phased-array. De hecho, los phased-arrays permiten el rápido escaneo de haces de radiación de alta directividad. Sin embargo, el hecho que requieran una compleja integración de muchos y caros componentes a alta frecuencia, tales como desfasadores de estado sólido o redes de conformación, los cuales introducen ciertos niveles de pérdidas, siendo además aparatosos, hacen que esta solución resulte inviable. La presente tesis doctoral contribuye al estudio, desarrollo, y ensayo experimental del rendimiento de soluciones de antenas innovadoras para la mejora de las existentes arquitecturas de antena en la banda frecuencial de las ondas milimétricas, convenientemente solucionando los problemas asociados específicamente a los sistemas de comunicación de corto alcance y alta velocidad a 60 GHz (incluyendo los futuros sistemas 5G a milimétricas), a los sistemas de radar de automoción a 79 GHz, y a los sistemas de comunicación, radar, y escaneo para aplicaciones a 94 GHz. Los objetivos específicos perseguidos en este trabajo académico, focalizados en definir una arquitectura alternativa de antena, capaz de conseguir una completa reconfiguración y escaneo de los haces de radiación en dos dimensiones del espacio a frecuencias de onda milimétricas, se han conseguido plenamente. En este sentido, esta tesis doctoral ha sido dedicada esencialmente al estudio en profundidad y desarrollo práctico de la parte fundamental del innovador concepto del switchedbeam array: nuevas lentes dieléctricas inhomogéneas de gradiente de índice con estructura plana, las cuales, a pesar de su configuración física totalmente llana, permiten una reconfiguración total, en dos dimensiones del espacio, de haces de radiación de alta directividad. Un estudio eminentemente transversal, que abarca desde la investigación teórica, pasando por el análisis numérico, nuevas metodologías y técnicas de fabricación, evaluación de rendimientos, hasta una completa caracterización y ensayo del rendimiento en entornos reales de aplicación de las nuevas arquitecturas de antena, se ha llevado a cabo con total éxito.Els sistemes a freqüències d'ones mil·limètriques introdueixen una sèrie de requisits molt estrictes des del punt de vista de l'antena per tal d’aconseguir uns rendiments específics. En aquest sentit, es requereixen antenes amb una alta directivitat per aconseguir superar les enormes pèrdues addicionals per propagació. A més a més, cada aplicació en concret introdueix uns requeriments addicionals . Per exemple, en xarxes d'àrea personal d'alta velocitat per a sistemes de comunicació a la banda de 60 GHz, antenes amb la capacitat de reconfiguració del feix de radiació són necessàries per tal de poder tractar la problemàtica de l'alta mobilitat dels usuaris en entorns tancats . De la mateixa manera, capacitats de reconfiguració de l'orientació del feix de radiació són necessàries en aplicacions associades a radar d'automoció a 79 GHz, donat que la determinació de la posició exacta d'un objecte és essencial per moltes de les funcions portades a terme pels ens or del radar. De forma molt similar, la capacitat d'apuntament del feix, que moltes vegades encara es realitza per mitjà de sistemes mecànics, és també imprescindible en sistemes d'escaneig per aplicacions mèdiques i de seguretat a 94 GHz. Finalment, des de la perspectiva de la integració, les antenes han de ser petites en termes elèctrics, lleugeres, i econòmiques per tal de poder ser incorporades en un sistema sense fils comercial a freqüència d'ones mil·limètriques. Per aquestes raons , diversos tipus d'estructures d'antenes han sigut proposats per aconseguir alta directivitat, conjuntament amb la capacitat d'apuntament del feix de radiació per les aplicacions anteriorment descrites a les bandes de 60, 79, i 94 GHz. La solució tradicionalment adoptada en aquests casos és estrictament basada en el sempre car, complexe, i aparatós concepte del phased-array. De fet, els phased-arrays tenen la capacitat de reconfigurar a gran velocitat feixos de radiació d'alta directivitat. Tot i això, el fet que requereixin la complexa integració de molts components cars a alta freqüència, amb certs nivells de pèrdues i aparatosos, com són els desfasadors d'estat sòlid, i les xarxes de conformació, fan d'aquesta solució inviable. La present tesis doctoral contribueix a l'estudi, des envolupament, i assaig experimental del rendiment de solucions d'antenes innovadores per tal de millorar les existents arquitectures d'antena a la banda freqüencial de les ones mil·limètriques, convenientment solucionant els problemes associats específicament als sistemes de comunicació de rang proper d'alta velocitat a 60 GHz (incloent els futurs sistemes 5G a mil·limètriques ), als sistemes de radar d'automoció a la banda dels 79 GHz, i als sistemes de comunicació, radar, i escaneig per aplicacions a 94 GHz. Els objectius específics perseguits en aquest treball acadèmic, focalitzats en definir una arquitectura d'antena alternativa, capaç d'aconseguir una completa reconfiguració i escaneig dels feixos de radiació en dues dimensions de l'espaia freqüències d'ona mil·limètriques , s'han plenament aconseguit. En aquest sentit, aquesta tesis doctoral s'ha dedicat essencialment a l'estudi en profunditat i desenvolupament pràctic de la part fonamental de l'innovador concepte del switched-beam array: noves lents dielèctriques inhomogenees de gradient d'índex amb estructura planar, les quals, tot i preservar una configuració física totalment plana, permeten una reconfiguració total en dues dimensions de l'espai de feixos de radiació d'alta directivitat. Un estudi transversal, que comprèn des de la investigació teòrica, passant per l'anàlisi numèric, noves metodologies i tècniques de fabricació, avaluació de rendiments, fins a una completa caracterització i assaig del rendiment en entorns reals d'aplicació de les noves arquitectures d'antena s'ha dut a terme amb total èxit

Diseño y aplicaciones de sistemas de antenas inteligentes para redes inalámbricas en el contexto de la internet de las cosas

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Las antenas de onda de fuga (LWA) consisten en una estructura de guía de onda que permite la fuga de parte de la potencia a lo largo de la estructura. Por esta razón, la radiación de la antena se produce por la fuga de energía. Para producir una radiación coherente, es necesario controlar esta tasa de radiación a lo largo de la estructura radiante. Así, ajustando con precisión la tasa de radiación, se controla la forma del diagrama de radiación. Las LWAs han sido ampliamente estudiadas por la comunidad científica debido a sus ventajas, tales como, red de alimentación simple, alta directividad y escaneo en frecuencia pasivo. Sin embargo, presentan ciertas desventajas entre las cuales, la más importante a destacar es el efecto de beam-squinting. Éste se produce por la propiedad dispersiva inherente a este tipo de antenas. Además, presentan dificultades a la hora de generar radiación coherente en las direcciones broadside y endfire, aumentando la complejidad del diseńo para la radiación en dichas direcciones. Las LWA han sido relativamente poco utilizadas en aplicaciones prácticas hasta la fecha, a pesar de sus ventajas. Las pocas aplicaciones en las que se han utilizado son los radares de onda continua modulada en frecuencia y los sistemas de enfoque controlado en frecuencia de campo cercano. Esta tesis propone el uso de las LWAs en aplicaciones prácticas aprovechando las ventajas mencionadas anteriormente y teniendo en cuenta los inconvenientes de este tipo de antenas para que su uso no sea limitado. Recientemente, las LWAs han sido propuestas para aplicaciones de localización de bajo coste, ya que permiten el diseńo de estructuras planas con haces directivos. Además, debido al aumento exponencial del uso de la tecnología, es necesario encontrar nuevas tecnologías para una transmisión de datos mayor, más rápida y más eficiente, manteniendo bajos costes de fabricación. Por lo tanto las LWAs pueden ser una solución crucial al mezclar bajos costes de fabricación, alta integrabilidad en diferentes sistemas debido a su tecnología impresa planar y alta directividad al mismo tiempo que se aprovecha su característica dispersiva que proporciona un escaneo pasivo en frecuencia. En este contexto, la principal aportación de esta Tesis consiste en el estudio, análisis, diseńo e integración de LWAs en aplicaciones reales y prácticas. Esta Tesis presenta las siguientes tres contribuciones principales, definidas en los tres bloques principales de este documento: • Estudio y análisis de LWAs para su uso en sistemas de estimación de dirección de llegada basados en técnicas de amplitud de monopulso. Comparar las características y prestaciones de las LWAs junto con las antenas comerciales más utilizadas. Para ello, diseńar y fabricar las HWM-LWAs con el fin de comparar sus prestaciones con las antenas de panel adquiridas comercialmente. Dado que cada aplicación requiere el diseńo de una HWM-LWA nueva y diferente, estudiar y proponer una técnica eficiente de análisis y diseńo de antenas para obtener fácilmente diagramas de radiación monopulso escaneados en frecuencia. • Una vez analizado que las HWM-LWA son una solución factible para su uso en aplicaciones reales de localización debido a sus diversas ventajas. Integrar las HWM-LWAs diseńadas en sistemas digitales para estimación del ángulo de llegada en interiores. Por lo tanto, diseńar, desarrollar, configurar e integrar las LWAs en diferentes sistemas basados en las bandas de frecuencia Wi-Fi ISM de 2,4 GHz y 5 GHz. Finalmente, comparar los resultados de estimación obtenidos con otras soluciones propuestas para corroborar que los LWAs pueden ser utilizados en aplicaciones reales. • Asimismo, debido a su bajo coste de fabricación y a su principal propiedad de escaneo en frecuencia. Ampliar el uso de las LWAs para la localización angular en redes de sensores inalámbricas (WSN) utilizando la banda de frecuencias UHF de 900 MHz. Utilizando así etiquetas RFID pasivas. También estudiar su aplicabilidad en WSNs utilizando etiquetas LoRa activas. Este documento se presenta como una Tesis por compendio, por lo que se presentarán y explicarán brevemente los 4 artículos de revistas que se han publicado durante el programa de doctorado. Además, también se presentarán algunos artículos de conferencias y otros trabajos en revisión para exponer algunas de las investigaciones que no han sido publicadas en revistas hasta la fecha de depósito de tesis. El documento está organizado como se indica a continuación: En la Introducción, se presenta una contextualización del estado del arte y una explicación rigurosa sobre las LWAs y las aplicaciones anteriormente mencionadas. Las dos partes siguientes se vi dedican a presentar y explicar brevemente los trabajos publicados que contribuyen a esta Tesis. En la parte II, se presentan los cuatro artículos que conforman el compendio. Esto es, el análisis de las LWAs para la estimación de la dirección del ángulo de llegada y la integración de las LWAs en sistemas de localización digital usando el protocolo Wi-Fi en el Capítulo 1, la banda de frecuencias ISM UHF 900 MHz se utiliza junto con los HWM-LWAs en el Capítulo 2, luego se implementa en un sistema en tiempo real para la estimación de la dirección de llegada de múltiples tags pasivos en el Capítulo 3 y la integración de LoRa en el Capítulo 4. Finalmente, en la Parte III, se discuten las conclusiones generales y las futuras líneas de investigación. [ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. Leaky-Wave Antennas (LWA) consist on a waveguide structure which allows the leakage of part of the power along the structure. For this reason, the radiation of the antenna is produced by the leakage of power. In order to produce coherent radiation, it is necessary to control this leakage rate along the radiating structure. Thus, precisely adjusting the leakage rate, the shape of the radiation pattern is controlled. LWAs have been widely studied by the scientific community due to their advantages, such as, simple feeding network, high directivity and passive frequency-scanning performance. However, they present certain disadvantages among which, the most important to highlight is the beam-squinting effect. TThis is due to the inherent dispersion property of this type of antenna. In addition, LWAs present difficulties when generating coherent radiation in broadside and endfire directions, increasing the complexity of the design for radiation in these directions. LWAs have been relatively unused in practical applications to date, despite of their benefits. The few applications in which they have been used are frequency modulated continuous wave radars and near-field frequency controlled focusing systems.This thesis proposes the use of LWAs in practical applications by exploiting the advantages mentioned above while taking into account the drawbacks of this type of antennas so that their use is not limited. Recently, LWAs have been proposed for low-cost localization applications, as they allow the design of planar structures with directive beams. In addition, due to the exponential increase in the use of technology, it is necessary to find new technologies for higher, faster and more efficient data transmission while maintaining low manufacturing costs. Therefore, LWAs can be a crucial solution mixing low manufacturing costs, high integrability in different systems due to their planar printed technology and high directivity while taking advantage of their dispersive characteristic that provides passive frequency scanning. In this context, the main contribution of this Thesis consist of the study, analysis, design and integration of LWAs in real and practical applications. This Thesis presents the following three main contributions, defined in the three main blocks of this document: • Study and analysis of LWAs for its use in direction of arrival estimation systems based on monopulse amplitude techniques. Compare the characteristics and performance of LWAs along with widely used commercial antennas. For this purpose, design and manufacture the HWM-LWAs in order to compare their performance with commercially acquired panel antennas. Since each application requires the design of a new and different HWM-LWA, a main objective of this block is to study and propose an efficient antenna analysis and design technique to facilitate obtaining frequency-scanned monopulse patterns. • Once analyzed that LWAs are a feasible solution for its use in real localization applications due to their several advantages, integrate the designed half-width microstrip (HWM-LWAs) in digital indoor angle-of-arrival estimation systems. Therefore, design, develop, configure and integrate LWAs in different systems based on the Wi-Fi ISM 2.4 GHz and 5 GHz frequency bands. Finally, compare the obtained estimation results with other proposed solutions to corroborate that LWAs can be used in real applications. • Extending the use of antennas for angular localization in sensor networks using the 900 MHz UHF frequency band: the main properties of low manufacturing cost and passive frequency beam scanning can be used in other applications. Thus, the localization estimation of passive RFID tags is studied, as well as their application in Wireless Sensor Networks (WSNs) using active tags with LORA technology. This document is presented as a Thesis by compilation, so the 4 journal articles that have been published during the Ph.D program will be presented and briefly explained. Besides, some conference articles and other work under review will be also presented to expose some of the research that has not been published in journals. The document is organized as outlined hereafter: In Part I, a state-of-the-art contextualization, a rigorous explanation about LWAs and the previous applications mentioned above is presented. The next two parts are dedicated to present and briefly explain the published works included in this Thesis and their main contributions. In Part II the explanation of the four papers which compose the compendium are presented. This is, LWAs analysis for direction of arrival estimation and the integration of LWAs in digital Wi-Fi localization systems in chapter 1, the UHF 900 MHz ISM frequency band is used in conjunction with HWM-LWAs in chapter 2, then, it is implemented in a real time system for direction of arrival estimation of multi RFID tags in chapter 3 and LoRa integration in chapter 4. Finally, in Part III, the overall conclusions and the future research lines are discussed.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos. Article 1.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. A. Lopez-Pastor, J. C. Sanchez-Aarnoutse and J. L. Gomez-Tornero, Wi-Fi Direction Finding with Frequency-Scanned Antenna and Channel Hopping Scheme IEEE sensors Journal, , vol. 22, no. 6, pp. 5210-5222, 2022. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3122232. Article 2.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Frequency-Scanned Monopulse Antenna for RSSI-based Direction Finding of UHF RFID tags IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,, vol. 21, no. 1, pp. 158-162, 2022. DOI: 10.1109/LAWP.2021.3122232. Article 3.-: A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia, J. Garcia-Fernandez, M. Campo-Valera, D. Cañete-Rebenaque, and J. L. Gomez-Tornero, Direction Finding of RFID tags in UHF Band Using a Passive Beam-Scanning Leaky-Wave Antenna IEEE Journal of Radio Frequency Identi cation, doi: 10.1109/JRFID.2021.3122233. Article 4.-: J. L. Gomez-Tornero, A. Gil-Martinez, M. Poveda-Garcia and D. Cañete-Rebenaque, ARIEL: Passive Beam-Scanning Antenna TeRminal for Iridiscent and E cient LEO Satellite Connectivity in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, doi: 10.1109/LAWP.2022.3193040.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicacione

Millimetre wave imaging for concealed target detection

PhDConcealed weapon detection (CWD) has been a hot topic as the concern about pub- lic safety increases. A variety of approaches for the detection of concealed objects on the human body based on earth magnetic ¯eld distortion, inductive magnetic ¯eld, acoustic and ultrasonic, electromagnetic resonance, MMW (millimetre wave), THz, Infrared, x-ray technologies have been suggested and developed. Among all of them, MMW holographic imaging is considered as a promising approach due to the relatively high penetration and high resolution that it can o®er. Typical concealed target detection methods are classi¯ed into 2 categories, the ¯rst one is a resonance based target identi¯cation technique, and the second one is an imaging based system. For the former, the complex natural resonance (CNR) frequencies associated with a certain target are extracted and used for identi¯cation, but this technique has an issue of high false alarm rate. The microwave/millimetre wave imaging systems can be categorized into two types: passive systems and active sys- tems. For the active microwave/millimetre wave imaging systems, the microwave holographic imaging approach was adopted in this thesis. Such a system can oper- ate at either a single frequency or multiple frequencies (wide band). An active, coherent, single frequency operation millimetre wave imaging system based on the theory of microwave holography was developed. Based on literature surveys and ¯rst hand experimental results, this thesis aims to provide system level parame- ter determination to aid the development of a target detection imager. The goal is approached step by step in 7 chapters, with topics and issues addressed rang- ing from reviewing the past work, ¯nding out the best candidate technology, i.e. the MMW holographic imaging combined with the resonance based target recog- i nition technique, the construction of the 94 GHz MMW holographic prototype imager, experimental trade-o® investigation of system parameters, imager per- formance evaluation, low pro¯le components and image enhancement techniques, feasibility investigation of resonance based technique, to system implementation based on the parameters and results achieved. The task set forth in the beginning is completed by coming up with an entire system design in the end.

A comprehensive survey of "metamaterial transmission-line based antennas: design, challenges, and applications"

In this review paper, a comprehensive study on the concept, theory, and applications of composite right/left-handed transmission lines (CRLH-TLs) by considering their use in antenna system designs have been provided. It is shown that CRLH-TLs with negative permittivity (ε < 0) and negative permeability (μ < 0) have unique properties that do not occur naturally. Therefore, they are referred to as artificial structures called "metamaterials". These artificial structures include series left-handed (LH) capacitances (CL), shunt LH inductances (LL), series right-handed (RH) inductances (LR), and shunt RH capacitances (CR) that are realized by slots or interdigital capacitors, stubs or via-holes, unwanted current flowing on the surface, and gap distance between the surface and ground-plane, respectively. In the most cases, it is also shown that structures based on CRLH metamaterial-TLs are superior than their conventional alternatives, since they have smaller dimensions, lower-profile, wider bandwidth, better radiation patterns, higher gain and efficiency, which make them easier and more cost-effective to manufacture and mass produce. Hence, a broad range of metamaterial-based design possibilities are introduced to highlight the improvement of the performance parameters that are rare and not often discussed in available literature. Therefore, this survey provides a wide overview of key early-stage concepts of metematerial-based designs as a thorough reference for specialist antennas and microwave circuits designers. To analyze the critical features of metamaterial theory and concept, several examples are used. Comparisons on the basis of physical size, bandwidth, materials, gain, efficiency, and radiation patterns are made for all the examples that are based on CRLH metamaterial-TLs. As revealed in all the metematerial design examples, foot-print area decrement is an important issue of study that have a strong impact for the enlargement of the next generation wireless communication systems

A Comprehensive Survey of 'Metamaterial Transmission-Line Based Antennas: Design, Challenges, and Applications'

In this review paper, a comprehensive study on the concept, theory, and applications of composite right/left-handed transmission lines (CRLH-TLs) by considering their use in antenna system designs have been provided. It is shown that CRLH-TLs with negative permittivity (epsilon < 0) and negative permeability (mu < 0) have unique properties that do not occur naturally. Therefore, they are referred to as artificial structures called "metamaterials". These artificial structures include series left-handed (LH) capacitances (C-L), shunt LH inductances (L-L), series right-handed (RH) inductances (L-R), and shunt RH capacitances (C-R) that are realized by slots or interdigital capacitors, stubs or via-holes, unwanted current flowing on the surface, and gap distance between the surface and ground-plane, respectively. In the most cases, it is also shown that structures based on CRLH metamaterial-TLs are superior than their conventional alternatives, since they have smaller dimensions, lower-profile, wider bandwidth, better radiation patterns, higher gain and efficiency, which make them easier and more cost-effective to manufacture and mass produce. Hence, a broad range of metamaterial-based design possibilities are introduced to highlight the improvement of the performance parameters that are rare and not often discussed in available literature. Therefore, this survey provides a wide overview of key early-stage concepts of metematerial-based designs as a thorough reference for specialist antennas and microwave circuits designers. To analyze the critical features of metamaterial theory and concept, several examples are used. Comparisons on the basis of physical size, bandwidth, materials, gain, efficiency, and radiation patterns are made for all the examples that are based on CRLH metamaterial-TLs. As revealed in all the metematerial design examples, foot-print area decrement is an important issue of study that have a strong impact for the enlargement of the next generation wireless communication systems