Il presente progetto di ricerca propone l'analisi di superfici periodiche selettive in frequenza per il controllo della trasmissione, dell'assorbimento e della polarizzazione delle onde elettromagnetiche in una banda spettrale comprendente le microonde e le frequenze ai terahertz (THz). In particolare, lo sviluppo di modelli circuitali equivalenti totalmente analitici o semi-analitici basato sul metodo delle linee di trasmissione è finalizzato alla progettazione di antenne, filtri, polarizzatori, metasuperfici e assorbitori metamateriali di campo elettromagnetico. Più specificatamente, saranno prese in esame strutture periodiche in configurazione freestanding (ossia immerse nello spazio libero), stampate su substrati dielettrici terminati o meno su piatti metallici, e strutture stratificate che grazie all'introduzione di un gradiente di impedenza determinano un incremento della banda. Un primo obiettivo sarà perciò volto all'individuazione di una metodologia progettuale generalizzata che consenta l'analisi di strutture dalla geometria arbitraria. Questo approccio teorico consentirà l'ottimizzazione del comportamento elettromagnetico di un'antenna a onda leaky bidimensionale periodica in funzione dei vari parametri di progetto. Le antenne a onda leaky 2D periodiche in esame consistono infatti, di un array di superfici periodiche selettive in frequenza stampate su uno strato dielettrico terminato su un conduttore elettrico (grounded dielectric substrate) e sono in grado di produrre sia fasci conici scansionabili sia un fascio al broadside. L'applicazione di tali modelli circuitali determinerà quindi una relazione fra le caratteristiche geometriche dei dispositivi periodici e le proprietà di radiazione dell'antenna principalmente dovute a un'armonica spaziale di Floquet.
Rispetto all'attuale stato dell'arte, il presente progetto di ricerca si propone il raggiungimento di una conoscenza più approfondita dei modelli circuitali equivalenti per superfici periodiche selettive in frequenza, nonché una loro applicazione pratica nella progettazione di antenne a onda leaky bidimensionali periodiche costituite da array di FSS comprendenti dipoli metallici, patch rettangolari, patch circolari, ring, cross, e le rispettive strutture complementari. In particolare, si potranno prendere in considerazione elementi dalla struttura arbitraria, analizzando geometrie via via più complesse, e diversi range di frequenze di applicazione, spaziando dalle microonde, ai terahertz, alle frequenze ottiche e indagando le strutture periodiche in incidenza obliqua per entrambe le polarizzazioni trasversa elettrica (TE) e trasversa magnetica (TM). Se poi si considera che ogni onda elettromagnetica incidente obliquamente si può esprimere come una sovrapposizione di modi TE e TM, tale metodologia permetterà di analizzare la stabilità angolare di specifici dispositivi periodici.
Un passo fondamentale riguarderà l'analisi teorica di FSS bidimensionali in configurazione freestanding al fine di individuare i parametri equivalenti concentrati e distribuiti del modello circuitale equivalente. Ogni cella unitaria sarà considerata come un problema di discontinuità in guida d'onda a piatti piani paralleli, basato sulla risoluzione di un'equazione integrale in cui la presenza di strati dielettrici sarà valutata attraverso l'inserimento di opportune sezioni di linea di trasmissione in cascata. Questa analisi consentirà di validare i parametri circuitali estratti dal confronto con i dati presenti in letteratura. In generale, il campo elettrico trasverso sulla discontinuità può essere espanso in una serie di armoniche spaziali di Floquet, dove sfruttando opportune condizioni al contorno per il campo magnetico e la densità di corrente elettrica, è possibile estrarre le espressioni analitiche in forma chiusa delle impedenze/ammettenze equivalenti.
L'applicazione di tali modelli circuitali equivalenti nella progettazione di antenne a onda-leaky bidimensionali periodiche, permetterà di predire i pattern di radiazione in modo accurato, tenendo in considerazione, tra l'altro, le interazioni delle armoniche di Floquet di ordine superiore tra l'array periodico di FSS e il ground plane, che nel semplice modello di rete equivalente trasversa (Transverse Equivalent Network, TEN) vengono in prima approssimazione trascurate. Tale studio permetterà inoltre, di poter determinare i valori ottimi di permittività, spessore del substrato e periodicità della cella unitaria: infatti, lo spessore del substrato prescelto determina l'angolo del fascio, mentre le dimensioni delle FSS ne condizionano la larghezza. L'ottimizzazione di questa tipologia di antenna a onda leaky bidimensionale periodica consentirà quindi di controllare in fase progettuale con più precisione la direttività del fascio e la sua ampiezza, per produrre sia un fascio a matita (pencil beam) al broadside sia un fascio conico a qualsiasi angolo di scansione.
Il raggiungimento degli obiettivi descritti comporterà l'individuazione di linee guida per l'ottimizzazione delle prestazioni dei dispositivi periodici e una maggiore comprensione dei meccanismi fisici alla base dei differenti comportamenti elettromagnetici. Da un punto di vista innovativo, questo studio si prefigge, infatti, di estendere l'analisi teorica allo sviluppo di una tecnologia più fruibile e competitiva, puntando a rendere i dispositivi più versatili, compatti e adatti a operare in diversi range spettrali. I modelli circuitali analitico e semi-analitico proposti saranno infatti, validi su un'ampia banda di frequenze, dalla regione quasi-statica in cui la periodicità della cella unitaria risulta molto inferiore rispetto alla lunghezza d'onda di lavoro, passando per la regione di risonanza fino alla comparsa dei lobi di grating nella zona in cui la periodicità è maggiore della lunghezza d'onda operativa.