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Sistemi Radianti Innovativi basati su Materiali Artificiali Micro- e Nano-Strutturati Attività dellunità Campi Elettromagnetici Università La Sapienza.

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Presentazione sul tema: "Sistemi Radianti Innovativi basati su Materiali Artificiali Micro- e Nano-Strutturati Attività dellunità Campi Elettromagnetici Università La Sapienza."— Transcript della presentazione:

1 Sistemi Radianti Innovativi basati su Materiali Artificiali Micro- e Nano-Strutturati Attività dellunità Campi Elettromagnetici Università La Sapienza di Roma Dipartimento di Ingegneria Elettronica W. Arrighetti, P. Baccarelli, P. Burghignoli, F. Frezza, A. Galli P. Lampariello, G. Lovat, S. Paulotto e G. Valerio Roma, 4 dicembre Università La Sapienza di Roma - Facoltà di Ingegneria

2 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

3 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

4 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 questultima 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

5 Metamateriali: Antenne Planari Dipolo elementare Metamateriale isotropo a bassa permettività h Struttura periodica planare Antenne a onda leaky ad alta direttività Wire Medium: necessità di modelli anisotropi e spazialmente dispersivi

6 Metodi di analisi per strutture periodiche stampate Programmi di calcolo ad hoc" per l'analisi modale e delleccitazione (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

7 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

8 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 dellutilizzo 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

9 Dispositivi plasmonici periodici Trasmissione straordinaria della radiazione luminosa attraverso aperture di dimensioni ben inferiori alla lunghezza donda 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

10 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 microonde di spessore ridotto rispetto agli usuali composti in ferrite Nano-strati metallici su substrati plastici Fogli metallici ultrasottili trasparenti alle frequenze ottiche

11 Metodi di analisi Caratterizzazione attraverso mixing formulas del tipo Maxwell- Garnett, Clausius-Mossotti modificato e Bruggeman. 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 Mezzo ospitante Inclusioni Omogeneizzazione

12 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 linvisibilità - 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 donda e in spazio libero - Sapienza


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