Si propone uno studio per la realizzazione di antenne elettromagnetiche, ottiche o acustiche in grado di generare onde elettromagnetiche o acustiche non uniformi che penetrino profondamente in mezzi con perdite. Si intende applicare recenti risultati sull'analisi dell'interazione delle onde (elettromagnetiche o acustiche) piane non uniformi con un'interfaccia tra mezzi con perdite in modo da ottenere, in uno scenario reale, un'onda trasmessa non attenuata, ovvero un'onda che si attenui parallelamente all'interfaccia e che quindi possa penetrare in profondità nel mezzo con perdite. Per fare ciò si studierà un'antenna, elettromagnetica, ottica o acustica, a onda "leaky" adatta alla generazione dell'onda piana non uniforme di cui si ha bisogno per evidenziare il fenomeno. Una volta verificato l'effetto in uno scenario reale, si proporranno diversi tipi di antenne, adatte alle diverse applicazioni, a partire da quelle relative alle trasmissioni sottomarine, al rilevamento di oggetti sepolti (o di persone sepolte da macerie o neve, in caso di calamità naturali), agli applicatori biomedicali impiegati in diagnostica o nelle terapie mediche, fino alle sonde per microscopia a scansione. Tali applicazioni necessitano di antenne di tipo diverso, sia per i diversi intervalli di frequenza coinvolti, sia per problemi di tipo meccanico, ingombro e peso. Inoltre, i sistemi impiegati in applicazioni specifiche possono richiedere particolari caratteristiche in fase di progetto, quali la larghezza di banda, o elevati valori della potenza trasmessa. Completato il progetto delle antenne per le diverse applicazioni e analizzatone il funzionamento attraverso simulazioni numeriche, si procederà alle verifiche sperimentali su opportuni prototipi, prima a scopo di caratterizzazione delle proprietà delle antenne e poi nel loro utilizzo nel contesto specifico. In particolare, nel caso acustico, la stessa individuazione di possibili generatori presenta caratteristiche marcatamente innovative.
Rilevanza e potenzialità innovative
Nel caso in cui il fenomeno teorico fosse confermato in uno scenario realistico, ci sarebbero numerose interessanti ricadute da un punto di vista delle applicazioni. Gli applicatori a microonde presi in considerazione sono infatti stati proposti per ottenere un riscaldamento dei tessuti, in particolari
nelle applicazioni biomediche nel trattamento delle forme tumorali, come l'ipertermia e l'ablazione [1,2]. Tuttavia, il fenomeno della penetrazione profonda in mezzi con perdite potrebbe avere ricadute in molti altri ambiti. Si pensi, per fare un esempio, al rilevamento di oggetti sepolti nel suolo, il quale presenta sempre una certa componente di conducibilità, o ancor di più al caso di oggetti immersi in acqua o nella neve, al ritrovamento delle vittime di valanghe o di persone sepolte sotto macerie. Ancora, si pensi alla trasmissione di informazione in mezzi con perdite, sia nel caso di trasmissione in aria, in presenza di precipitazioni o nebbia, sia nelle trasmissioni subacquee o sotterranee. Inoltre si considerino le sonde per microscopia a scansione a microonde e ottica, e acustiche. In particolare, alcuni componenti del presente gruppo di ricerca hanno recentemente collaborato al progetto europeo V-SMMART Nano ("Volumetric-Scanning Microwave Microscope Analytical and Research Tool for Nanotechnology"). In tutti questi casi disporre di onde che non si attenuino, o che si attenuino in misura minima, costituirebbe uno strumento innovativo estremamente utile.
Un'altra possibile applicazione riguarda la fusione nucleare, con la possibilità di riscaldare più efficacemente a microonde plasmi termonucleari [3,4]. E' noto infatti che tali plasmi necessitino di un riscaldamento addizionale oltre a quello ohmico dovuto al passaggio di corrente. Da un punto di vista tecnologico, la necessità di generare onde elettromagnetiche o acustiche non omogenee, con stringenti specifiche sulle proprietà radiative, porterà allo sviluppo di nuove tipologie di antenna che si discostino dalle abituali geometrie utilizzate nell'ambito delle antenne a onda leaky. Infatti, in recenti pubblicazioni è stata proposta una nuova configurazione radiante facente uso di una struttura dissipativa con delle non omogeneità spaziali, usata come lente, in grado di convertire un'onda omogenea in un'onda non omogenea [5,6]. Tale configurazione non solo si delineerebbe come una nuova tipologia di antenna in grado di generare onde non omogenee, ma sarebbe anche adatta ad essere utilizzata alle frequenze ottiche, alle quali è molto complesso riprodurre le tipiche strutture usate alle microonde per le antenne a onda leaky, a causa del comportamento non ideale dei conduttori a quelle frequenze [7]. Infine, parlando dal punto di vista puramente teorico, la verifica sperimentale della penetrazione profonda sarebbe la conferma dell'esistenza di un nuovo genere di onda non omogenea all'interfaccia tra due materiali. Infatti, come è ben noto, le onde non omogenee all'interfaccia fino a ora conosciute sono di tre tipi: onde superficiali, onde laterali e onde leaky [8]. L'onda trasmessa nel mezzo con perdite avrebbe delle caratteristiche analoghe a quelle di un'onda superficiale e in particolare alla cosiddetta onda di Zenneck [9], con l'importante differenza di non essere confinata all'interfaccia, ma invece di potersi propagare in profondità nel mezzo dissipativo.
Per quanto riguarda la propagazione acustica, in realtà la stessa ideazione, realizzazione e caratterizzazione di possibili generatori presenta aspetti marcatamente innovativi.
[1] L.S. Taylor, "Penetrating Electromagnetic Wave Applicators," IEEE T. Ant. Propag., vol. 32, 1984.
[2] C.M. Rappaport e F.R. Morgenthaler, "Localized Hyperthermia with Electromagnetic Arrays and the Leaky-Wave Troughguide Applicator," IEEE T.
Microw. Th. Tech., vol. 34, 1986.
[3] F. Frezza, G. Schettini, F. Gori, M. Santarsiero e F. Santini, "Quasi-optical launchers for lower hybrid waves: a full-wave approach", Nuclear Fusion, vol. 34, pp. 1239-1246, sett. 1994.
[4] V. A. Avantaggiati, F. Frezza, G. Gerosa, G. Schettini, R. Borghi e M. Santarsiero, "Gaussian-beam excitation of quasi-optical launchers for lower hybrid waves", Nuclear Fusion, vol. 37, maggio 1997, pp. 689-699.
[5] N. Tedeschi e F. Frezza, "An analysis of the inhomogeneous wave interaction with plane interfaces," Proceedings of URSI General Assembly, Beijing, agosto 2014.
[6] N. Tedeschi, "Leaky wave interactions with a planar interface between dissipative media," Atti della XX Rinem, Padova, sett. 2014.
[7] L. Novotny e N. van Hulst, "Antennas for light", Nature Photonics, vol. 5, pp. 83-90, febbraio 2011.
[8] F. Frezza e N. Tedeschi, "Electromagnetic inhomogeneous waves at planar boundaries," J. Opt. Soc. Am. A, vol. 32, n. 8, pp. 1485-1501, agosto 2015.
[9] F. Monticone e A. Alù, "Leaky-Wave Theory, Techniques, and Applications: From Microwaves to Visible Frequencies", Proc. IEEE, vol. 103, pp. 793-821, maggio 2015.