sistemi radianti innovativi basati su materiali artificiali micro- e nano-strutturati attività...
TRANSCRIPT
Sistemi Radianti Innovativibasati su Materiali Artificiali
Micro- e Nano-Strutturati
Attività dell’unità “Campi Elettromagnetici” Università “La Sapienza” di Roma
Dipartimento di Ingegneria Elettronica
W. Arrighetti, P. Baccarelli, P. Burghignoli, F. Frezza, A. GalliP. Lampariello, G. Lovat, S. Paulotto e G. Valerio
Roma, 4 dicembre 2006 - Università “La Sapienza” di Roma - Facoltà di Ingegneria
Metamateriali: motivazioni
Crescente interesse rivolto alla teoria e alle applicazioni elettromagnetiche di materiali artificiali (MA)
Metamateriali: strutture periodiche (o quasi-periodiche) descritte da parametri costitutivi con proprietà ‘notevoli’
Potenzialità delle strutture radianti basate su semplici sorgenti poste in presenza di MA
Necessità di metodi numerici efficienti ed accurati per la simulazione di strutture periodiche
Strutture periodiche
Definizione:
Strutture che possiedono periodicità spaziale in una o più dimensioni
Tipi:
In natura: strutture cristalline
Materiali Artificiali:
Photonic Bandgap (PBG),
Electromagnetic Bandgap (EBG),
Frequency Selective Surface (FSS)
Metamateriali
Nanomateriali
pl
w
h
Modelli classici isotropi: di tipo plasma, di tipo Lorentz
Necessità di tenere conto degli effetti di anisotropia e dispersione spaziale
• Su questi si basano molti degli studi condotti sinora su sistemi radianti con metamateriali• Problemi realizzativi
• Soprattutto quest’ultima introduce nuove difficoltà nella risoluzione analitica e numerica dei problemi, ma determina anche la comparsa di nuovi ed interessanti fenomeni propagativi e radiativi
Metamateriali: Modelli Omogenei
Metamateriali: Antenne Planari
f
x
yz
h
x
sh
rhe
Dipolo elementare
LWjke r
r
-z
r Metamateriale isotropo a bassa permettività
r0 1e< <<h
Struttura periodica planare
Antenne a onda leaky ad alta direttività
‘Wire Medium’: necessità di modellianisotropi e spazialmente dispersivi
Metodi di analisi per strutture periodiche stampate
Programmi di calcolo “ad hoc" per l'analisi modale e dell’eccitazione (da una singola sorgente aperiodica) di strutture periodiche in una e due direzioni stampate su un substrato dielettrico.
Geometrie arbitrarie della metallizzazione all'interno della cella unitaria: MoM nel dominio dello spazio (formulazione ai potenziali misti + RWG); metodi di accelerazione per il calcolo numerico delle serie e degli integrali necessari all'analisi delle strutture periodiche.
Eccitazione da una singola sorgente aperiodica: calcolo numerico delle funzioni di Green delle strutture periodiche mediante il cosiddetto Array Scanning Method
Tematiche di ricerca e applicazioni
Realizzazione di antenne miniaturizzate caricate con materiali innovativi - Roma Tre
Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale con soppressione completa delle onde superficiali per antenne planari a elevata efficienza - Sapienza
Analisi di substrati innovativi di tipo Metamateriale per antenne a onda leaky a elevata direttività ed efficienza e con proprietà avanzate di scansione del fascio - Sapienza
Uso di strutture EBG e Metamateriali nella realizzazione di Antenne Integrate Attive - Sapienza (Firenze, Pisa, Roma-Tor Vergata, Trieste)
Materiali EBG per antenne molto direttive - Roma Tre
Realizzazione di dispositivi di imaging ad elevata risoluzione - Roma Tre
Materiali nano-strutturati: motivazioni
Dispositivi plasmonici: utilizzano le proprietà ottiche di nano-strutture metalliche di varie forme di tipo periodico o quasi-periodico.
Nano-misture: materiali realizzati tramite nano-inclusioni 3D di mezzi con caratteristiche differenti dal mezzo ospitante.
Potenzialità dell’utilizzo di materiali nanostrutturati come superfici selettive in frequenza (schermi, filtri spaziali, FSS, ..), lenti per imaging ad alta risoluzione, dispositivi fotonici per la trasmissione straordinaria (a elevato guadagno) della luce attraverso aperture sub-wavelength.
Necessità di metodi di analisi e di progetto e di tecniche per la caratterizzazione sperimentale dei materiali
Dispositivi plasmonici periodici
Trasmissione straordinaria della radiazione luminosa attraverso
aperture di dimensioni ben inferiori alla lunghezza d’onda in superfici
metalliche corrugate periodicamente
Analisi in termini di onde leaky plasmoniche eccitate ai due lati del metallo e guidate lungo la nano-corrugazione periodica
Ottimizzazione della trasmissione straordinaria attraverso tecniche di
sintesi di strutture a onda leaky periodiche volte a massimizzare la
radiazione al broadside
Nano-misture
Materiali capaci di esibire proprietà selettive in frequenza nel loro volume senza passband indesiderate o limitazioni inerenti la loro topologia
Utilizzati in schermi, riflettori e filtri spaziali
Nano-inclusioni metalliche
Assorbitori alle microondedi spessore ridotto rispetto
agli usuali composti in ferrite
Nano-strati metallici su substrati plastici
Fogli metallici ultrasottili trasparentialle frequenze ottiche
Metodi di analisi
eff
Caratterizzazione attraverso “mixing formulas” del tipo Maxwell-Garnett, Clausius-Mossotti modificato e Bruggeman.
eff
Caratterizzazione sperimentale attraverso formule empiriche di “rilassamento” (Cole-Cole, Cole-Davidson, Havriliak–Negami, etc.) o di tipo “risonante” (Born e Wolf, Miles, Wertphal, e Hippel)
Caratterizzazione attraverso circuiti equivalenti per la stima del comportamento in frequenza di permittività “complesse” valide in un ampio intervallo di concentrazione di nano-inclusioni metalliche
MezzoospitanteInclusioni
Omogeneizzazione
Tematiche di ricerca e applicazioni
Superfici selettive in frequenza basate su nano-misture - Sapienza
Uso di nanomateriali per la realizzazione di sensori ad infrarossi ad alta risoluzione - Roma Tre
Uso di materiali sintetici per l’invisibilità - Roma Tre
Realizzazione di nanocircuiti ottici - Roma Tre
Analisi e ottimizzazione di dispositivi plasmonici per la trasmissione straordinaria attraverso aperture “subwavelength” - Sapienza
Caratterizzazione sperimentale dei materiali mediante misure in guida d’onda e in spazio libero - Sapienza