Design of scattering manipulating devices for novel antenna applications through metasurfaces

Abstract

In questo lavoro di Tesi di Dottorato in Elettronica Applicata, svolta presso il Dipartimento di Ingegneria, Sezione di Elettronica Applicata, dell’Università degli Studi di ROMA TRE, sotto la supervisione dei Proff. Filiberto Bilotti e Alessandro Toscano, si discute il progetto di dispositivi per la manipolazione dello scattering attraverso l’utilizzo di metasuperfici, in particolari in scenari applicativi di antenna. Più nello specifico, nel Capitolo 1, si presentano brevemente le principali tecniche di invisibilità sviluppate in letteratura, che vanno sotto il nome di transformation-optics, transmisison-line cloaking, scattering cancellation e mantle cloaking. Successivamente, la tecnica del mantle cloaking viene ulteriormente approfondita e si mostra come, utilizzando un approccio simile a quello utilizzato per affrontare il problema di invisibilità elettromagnetica, sia possibile ottenere un più generale completo controllo delle caratteristiche di scattering di un oggetto. In particolare, si discute di come, tramite metasuperfici opportunamente ingegnerizzate, sia possibile ottenere effetti avanzati di manipolazione dello scattering, tali da riuscire ad ottenere effetti di camouflage o illusion. Partendo dalla classica teoria di Mie dello scattering prodotto da oggetti di forma cilindrica, viene presentata la modalità di approccio teorico al problema della manipolazione delle proprietà di scattering di un oggetto e successivamente sono sviluppate le formule analitiche in forma chiusa con l’obiettivo di ricavare il valore della impedenza superficiale di una Abstract III metasuperfcie che consente di ottenere un effetto di camouflage o di cloaking. Infine, sono discussi i limiti teorici di questo approccio in termini di banda di funzionamento in frequenza. Nel Capitolo 2 vengono discussi, invece, alcuni esempi significativi di applicazioni della tecnica di camouflage, tramite il progetto di specifici dispostivi di camuffamento. Vengono presentati diversi esempi, sia analitici che numerici, di applicazioni di camouflage, al fine di evidenziare la grande versatilità dell’approccio discusso nel Capitolo precedente. Nello specifico, viene presentato il caso di un cilindro metallico avvolto da una metasuperfcie in grado di modificare le proprietà di scattering del cilindro in modo tale che questo presenti le stesse proprietà di scattering di un cilindro dielettrico equivalente. Questo caso è identificato come di scattering reduction. Successivamente, è discusso il caso di scattering enhancement, ossia il caso di aumento della segnatura radar di un oggetto di forma cilindrica e, infine, si dimostra come l’introduzione di valori di perdita controllati nella metasuperfcie consente di ottenere effetti di camouflage a larga banda. Nel Capitolo 3, seguendo l’approccio alla manipolazione dello scattering discusso nei Capitoli precedenti, vengono presentate due differenti applicazioni del cloaking in scenari di antenna. La prima, si concentra sulla progettazione di dispositivi di cloaking per antenne in scenari satellitari. Nello specifico, sono evidenziati i vantaggi dell’utilizzo della tecnica di cloaking nel design di sistemi satellitari miniaturizzati ed in particolare del loro sistema d’antenna. A partire dal caso reale di un nanosatellite progettato per applicazioni metereologiche, è mostrato come l’effetto di interferenza sulle antenne montate a bordo, causato dalla presenza di dispositivi schierabili dopo il lancio in orbita, può essere eliminato attraverso la progettazione di opportuni dispositivi di cloaking, così da garantire una maggior stabilità di collegamento con le stazioni radio base di terra. Successivamente, vengono mostrate alcune nuove configurazioni dei sistemi di antenna montati sui nanosatelliti che possono essere progettate grazie a metasuperfici di cloaking, al fine di evidenziare i vantaggi dovuti all’introduzione della tecnologia di cloaking in questo ambito. In particolare, sono progettati un nanosatellite di dimensioni estremamente ridotte, e un nanosatellite equipaggiato con antenne multifunzione. La seconda applicazione del cloaking in scenari di antenna riguarda, invece, il progetto di una metasuperfcie di cloaking waveform-selctive per antenne a filo, il cui effetto di invisibilità dipende dalla forma d’onda del segnale incidente. Più nello specifico, si introduce il concetto di waveform-selective cloak e si discute una sua possibile applicazione mostrando come è possibile ottenere questo effetto sfruttando metasuperfici caricate con elementi circuitali discreti. Successivamente, si mostra una possibile configurazione di un circuito che esibisce caratteristiche che dipendono dalla forma d’onda del segnale e se ne discutono le relative prestazioni. Infine, viene progettata la metasuperfcie di cloaking waveform selective e le sue prestazioni sono analizzate una volta che questa è caricata con il circuito ad elementi discreti. Infine, nel Capitolo 4 vengono presentate le conclusioni tratte del lavoro.