Progettazione di assorbitori metamateriali nelle microonde

Il seguente lavoro di tesi riporta i risultati del progetto di ricerca svolto durante il percorso di Dottorato in Elettromagnetismo. Il tema del Dottorato ha avuto come soggetto gli assorbitori perfetti metamateriali (PMA, Perfect Metamaterial Absorber) ed il target del percorso triennale è stato lo studio e la progettazione di nuove strutture assorbenti basate sempre su tale tecnologia che presentassero ottime prestazioni in termini di assorbimento così da poter rientrare nella categoria. Gli assorbitori progettati funzionano nella banda X delle microonde. La logica del percorso seguito nella dissertazione è stata così articolata; Introduzione. Prima dell’inizio del corpo vero e proprio della tesi è stato elaborato un breve capitolo di introduzione in cui si è introdotto l’argomento del triennio di Dottorato ed il metodo di studio e analisi seguiti. Tale capitolo è stato suddiviso in tre paragrafi che hanno la funzione di presentare a chi legge l’argomento trattato (gli assorbitori PMA), il percorso generale, la definizione degli obbiettivi della ricerca, l’approccio metodologico seguito ed applicato durante il triennio ed infine una breve descrizione del software di simulazione Comsol Multiphysics utilizzato per le simulazioni numeriche. CAPITOLO 1. È il capitolo dove si contestualizza l’argomento della tesi: gli assorbitori metamateriali (PMA). È una sezione della dissertazione dove viene ripercorsa la storia dei metamateriali e descritte le loro principali proprietà peculiari. L’attenzione si focalizza gradualmente sugli assorbitori metamateriali oggetto di studio del dottorato; viene presentata la loro origine, dai dispositivi precursori come lo schermo di Salisbury fino allo stato dell’arte attuale, a come vengono realizzati, quali sono le tipologie più diffuse fino ad illustrare quali possono essere le potenziali applicazioni in ambito ingegneristico, energetico e strategico. Infine vengono spiegati brevemente i punti salienti della fisica degli assorbitori che sono alla base del loro stesso funzionamento, ponendo enfasi sulle condizioni che generano la risonanza d’assorbimento e sul ruolo delle perdite dielettriche. CAPITOLO 2. In questo capitolo è stata approfondita la conoscenza dell’assorbitore di Landy. Tale dispositivo consta di uno slab dielettrico in FR4 con perdite. Sulle due superfici opposte dello slab sono depositate delle inclusioni metalliche in rame. Sulla superficie top, quella in cui per prima giunge la radiazione incidente, è presente un risonatore quadrato ad anello aperto (SSRR, Split Square Ring Resonator), mentre su quella opposta dove fuoriesce l’onda trasmessa è presente una strip metallica. La struttura e le condizioni al contorno di tale dispositivo sono state riprodotte in ambiente Comsol Multiphysics, il software di simulazione utilizzato durante tutto il lavoro di ricerca. In questo modo si sono riprodotti i risultati riportati in letteratura legati a tale dispositivo e si è potuto avere un modello di partenza su cui poi sviluppare il lavoro. Il dispositivo di Landy è un assorbitore perfetto in una singola polarizzazione lineare TE (piano di incidenza yz) per piccoli valori dell’angolo di incidenza e per una ristretta frequenza di lavoro che ricade nella banda X delle microonde. Allontanandosi da tali condizioni le prestazioni calano rapidamente. CAPITOLO 3. In questa parte della tesi sono riportati i principali risultati ottenuti durante il triennio. A partire dal modello dell’assorbitore di Landy i prinicipali sforzi si sono concentrati nell’individuazione di una struttura che ottimizzasse l’assorbimento, mantenendo al contempo una semplicità realizzativa. Sono stati compiuti numerosi test agendo sulla geometria delle inclusioni metalliche, sul numero degli strati, sul tipo di polarizzazione dell’onda incidente. Alla fine i migliori risultati si sono ottenuti assottigliando la larghezza del risonatore quadrato, ruotandolo di 90 gradi rispetto alla configurazione di Landy e sostituendo la strip metallica con un piatto metallico. In tal modo si è ottenuto un nuovo dispositivo wide angular absorber che manifesta un elevato assorbimento anche in condizioni di incidenza obliqua per grandi angoli, sempre in banda X. Tale ottima prestazione si limita però alla polarizzazione TE (piano di incidenza yz) e per ristretti valori in frequenza. Le dimensioni dell’assorbitore sono state adattate in base alle esigenze commerciali in relazione alla reperibilità dei materiali disponibili così da poter realizzare il dispositivo e sottoporlo a misure sul campo. Nel corso di tale fase del Dottorato è stato necessario riprogettare il dispositivo così da poter avere una struttura funzionante e realizzabile sulla base dei materiali disponibili commercialmente. La nuova forma è stata elaborata in collaborazione con il gruppo di ricerca. Minore fortuna ha invece avuto la ricerca di un modello circuitale volto ad ottenere una formalizzazione della relazione tra parametri geometrici delle inclusioni metalliche e risonanze osservate. CAPITOLO 4. Questa sezione della tesi descrive un’ ulteriore evoluzione del wide angular absorber nel tentativo di incrementare ulteriormente le prestazioni in termini di assorbimento. Come nello step precedente dopo alcuni tentativi, la sostituzione del risonatore quadrato con delle inclusioni metalliche a forma di svastica ha condotto ad un miglioramento dell’assorbimento. Facendo ricorso ad una geometria quadrata della cella primitiva con inclusioni metalliche a svastica sul lato della superficie ove arriva la radiazione è stato possibile ottenere un nuovo dispositivo wide angular absorber insensibile rispetto al tipo di polarizzazione lineare usata (piano incidenza yz). Tale progresso in termini di assorbimento è ascrivibile all’aumentata simmetria del sistema nello spazio. La percentuale di assorbanza ottenuta si mantiene elevata anche utilizzando i parametri dei materiali commercialmente disponibili che precedentemente avevano abbattuto il rendimento del wide angular absorber basato sul risonatore quadrato. CAPITOLO 5. In tale capitolo è stata introdotta un ulteriore struttura progetatta in collaborazione con il il gruppo di ricerca che fornisce una buona risposta angolare in termini di assorbanza in polarizzazione TE. Tale struttura è stata poi costruita fisicamente e il pannello così ottenuto è stato sottoposto a misura presso il CNR-IFP di Milano. I primi risultati delle misure, tuttora in corso, in condizioni di incidenza normale e configurazione monostatica hanno dato buone conferme per quel che concerne l’entità dell’assorbimento in polarizzazione TE. Occorreranno ulteriori approfondimenti per dettagliare maggiormente i risultati. CAPITOLO 6. In questo capitolo viene brevemente descritta l’esperienza lavorativa, tuttora in corso che sto svolgendo presso il CNR-IFP di Milano come assegnista da Gennaio 2016. Tale attività, sebbene indipendente dal percorso di Dottorato, può essere considerata un completamento pratico dello stesso. Il target del lavoro consiste in misure di riflettività di campioni di prova per il calibratore di un radiometro che troverà poi impiego su un satellite destinato a svolgere misurazioni in campo ambientale. Questo tipo di attività si articola sia in mansioni di laboratorio finalizzate allo svolgimento delle misure di riflettività dei campioni di prova e in una fase di elaborazione e pulizia dei dati mediante opportuni programmi così da poter arrivare ad una stima buona del risultato cercato. CONCLUSIONI in questo lavoro di tesi che riporta quanto svolto nel triennio di ricerca, partendo da un assorbitore le cui funzionalità siano note a priori sulla base della letteratura scientifica si è ottenuto un nuovo assorbitore che con poche modifiche rispetto al dispotivo originario ha permesso un netto miglioramento delle prestazioni in termini di assorbimento angolare. Tale struttura è stata poi nuovamente ridisegnata in equipe in modo da poter ottenere un dispositivo realizzabile in relazione alle disponibilità commerciali dei materiali necessari. Le misure su tale assorbitore già iniziate saranno completate nelle prossime settimane. Nell’ultimo anno di Dottorato è stato implementato un altro assorbitore a forma di svastica che presenta un assorbimento per grandi angoli e per ambo le polarizzazioni anche utilizzando i parametri dielettrici dei materiali reperibili che in precedenza avevano abbattuto la percentuale d’assorbimento nel wide angular absorber presentato nel capitolo tre. La modellizzazione circuitale delle strutture qui presentate richiederà invece ulteriori approfondimenti