Roma, 4 dicembre 2006 - Università “La Sapienza” di Roma - Facoltà di Ingegneria
Sistemi Radianti Innovativi
basati 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. Galli
P. Lampariello, G. Lovat, S. Paulotto e G. Valerio
Metamateriali: motivazioni
 Crescente interesse rivolto alla teoria e alle
applicazioni elettromagnetiche di materiali
artificiali (MA)
 Metamateriali: strutture periodiche (o quasiperiodiche) 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
l
p
w
h
Metamateriali: Modelli Omogenei
 Modelli classici isotropi: di tipo plasma, di tipo
Lorentz
• Su questi si basano molti degli studi condotti sinora
su sistemi radianti con metamateriali
• Problemi realizzativi
 Necessità di tenere conto degli effetti di
anisotropia e dispersione spaziale
• 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: Antenne Planari
Antenne a onda leaky ad alta direttività
e
z
Struttura periodica planare
- jk LW r
r
r
Metamateriale isotropo a bassa permettività
Dipolo elementare
h
x
z
‘Wire Medium’: necessità di modelli
anisotropi e spazialmente dispersivi
y

f
hs
h
erh
0 < er < < 1
x
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
d
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. d
y
dy
x
(a)
dx
(b)
 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
 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)
 Realizzazione
di antenne miniaturizzate caricate con materiali
innovativi - Roma Tre
 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 nanoinclusioni 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 subwavelength.
 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
Nano-strati metallici su substrati plastici
Assorbitori alle microonde
di spessore ridotto rispetto
agli usuali composti in ferrite
Fogli metallici ultrasottili trasparenti
alle frequenze ottiche
Metodi di analisi
Omogeneizzazione
Inclusioni
Mezzo
ospitante
 eff  eff
 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
Tematiche di ricerca e applicazioni
 Caratterizzazione sperimentale dei materiali mediante misure in guida
d’onda e in spazio libero - Sapienza
 Superfici selettive in frequenza basate su nano-misture - Sapienza
 Analisi e ottimizzazione di dispositivi plasmonici per la trasmissione
straordinaria attraverso aperture “subwavelength” - 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