Analisi Numerica di Strutture Selettive in Frequenza Multistrato Marianna Biscarini

Scopo del lavoro Obiettivo: Applicazioni proposte: Realizzare una procedura numerica per l’analisi di strutture selettive in frequenza (FSS) multistrato Obiettivo: Applicazioni proposte: Polarizzatori Circolari a Larga Banda

Caratteristiche di una FSS FSS = Frequency Selective Surface: Struttura periodica distribuzione planare periodica di conduttori metallici Patch-Type: schermo conduttore periodicamente perforato con delle aperture Slot-Type:

Caratteristiche di una FSS Periodicità: dettata dalla disposizione delle celle Possibilità di mettere più FSS in cascata UNIT CELL Possibilità di utilizzare dielettrici Diverse geometrie

Possibili impieghi per le fSS Realizzazione di Filtri Passa Banda per diminuire RCS di un’antenna al di fuori della sua banda di utilizzo Realizzazione di Filtri Elimina Banda per bloccare frequenze “nemiche” (Ambito Militare) Realizzazione di subriflettori di antenne Cassegrain (strutture dicroiche) Strutture EBG Realizzazione di metamateriali (FSS-Type Metamaterials) Strutture PRS

Basi matematiche Analisi strutture periodiche Teorema di Floquet: Scomporre il campo interagente con una struttura periodica in una sommatoria di modi di Floquet (di indici p,q) TE e TM Equazioni integrodifferenziali Equazioni matriciali Analisi nel dominio spettrale Metodo dei Momenti +

Procedura di analisi Modello a linee di trasmissione equivalenti Risoluzione MoM Dielettrico superiore Rete dei modi accessibili Cascata di FSS FSS Funzione di Green della stratificazione Trasformata di Fourier delle Funzioni Base del MoM Dielettrico inferiore Riduzione ai soli modi accessibili Ad ogni modo corrisponde una linea di trasmissione

Calcolo matrice s Cascata Coeff. di Riflessione Coeff. di Trasmissione

Validazione del codice 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 F [GHz] -45.00 -40.00 -35.00 -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 F [GHz] -30.00 -25.00 -20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 F [GHz] -200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 F [GHz] -200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 2 FSS di PATCH in cascata FSS1 FSS2 Stratificazione1 Stratificazione2 Linea continua = codice realizzato Linea tratteggiata = simulatore commerciale Le curve sono in perfetto accordo

Polarizzatori a larga banda Polarizzazione circolare: Risultato cercato: La struttura funziona da polarizzatore se:

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di SLOT in aria a b

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di SLOT: [14-21]GHz 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -150 -100 -50 freq[Hz] |T| [dB] TETE TMTM TETM TMTE Componenti crosspolari trascurabili

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di SLOT: [14-21]GHz |T| [dB] 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 freq[Hz] TETE TMTM 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 differenza delle fasi:TETE-TMTM freq[Hz] 20% 20% 17.6 GHz -90.36° 17.6 GHz -3 dB ±5° ±5°

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di SLOT: circuito equivalente Massimo del coefficiente di trasmissione FSS

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di SLOT: circuito equivalente Ampiezza campana 1 1.5 2 2.5 x 10 10 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 freq[Hz] |T| [dB]

Polarizzatori a larga banda Singola FSS di PATCH Duale di SLOT 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 freq[Hz] |T| [dB] PATCH 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 freq[Hz] |S| [dB] SLOT FSS Trasmissione PATCH Riflessione SLOT e viceversa TE TM Circuito equivalente PATCH: LC SERIE

Polarizzatori a larga banda SLOT: Rottura della simmetria per migliorare l’adattamento 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 freq[Hz] |T| [dB] TETE TMTM 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -30 -25 -20 -15 -10 -5 freq[Hz] SLOT accoppiamento tra:

Polarizzatori a larga banda Sovrapporre più FSS per ri-ottenere lo sfasamento: Soluzione ottimale = 3 FSS distanziate da 3.05 mm d’aria 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2 x 10 10 -10 -8 -6 -4 -2 freq[Hz] |T| [dB] TETE TMTM 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -30 -25 -20 -15 -10 -5 5 freq[Hz] |T| [dB] TETE TMTM 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 x 10 10 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 freq[Hz] delta(Arg) [deg] 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 x 10 10 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 freq[Hz] delta(Arg) [deg] 20% 20% ±5°

Polarizzatori a larga banda Ellisse di polarizzazione agli estremi della banda -1 -0.5 0.5 1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 ellisse di polarizzazione nel caso di massima differenza dei moduli -1 -0.5 0.5 1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 ellisse di polarizzazione nel caso di massimo sfasamento

conclusioni Riepilogando Sviluppi futuri Realizzazione di un codice che analizzi una generica stratificazione di FSS e dielettrici Progetto di un Polarizzatore a larga banda Sviluppi futuri Nel codice: implementare una procedura di ottimizzazione della geometria a seconda delle prestazioni richieste al multistrato Impiego del codice per studiare strutture di Metamateriali → considerare diverse geometrie di patch/slot Ottimizzazione del polarizzatore: allargare la banda e realizzare una situazione WAIM (Wide Angle Impedance Matching) → considerare l’inserimento di dielettrici

Grazie per la vostra attenzione Marianna Biscarini