Assorbitori metamateriali per applicazioni spaziali

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1 Assorbitori metamateriali per applicazioni spaziali Maria Denise Astorino Università di Roma La Sapienza - MECSA Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni Primo Workshop Nazionale su La Componentistica Nazionale per lo Spazio: Stato dell arte, Sviluppi e Prospettive Sessione 6: Design, sviluppo di materiali/modelli, simulazioni in ambito accademico

2 Piano della presentazione 1 Metamateriali e assorbitori metamateriali 2 Modello base di assorbitore metamateriale 3 Progetti di assorbitori metamateriali con piatto metallico 4 Omogeneizzazione ed estrazione dei parametri elettromagnetici 5 Conclusioni

3 Metamateriali Concetti introduttivi Definizione Un metamateriale è un mezzo artificiale che dal punto di vista elettromagnetico, esibisce proprietà che vanno al di là di quelle possedute dagli ordinari mezzi naturali. Procedimento realizzativo È costituito dalla ripetizione periodica di una cella unitaria con dimensione caratteristica a, che rispetta il limite di omogeneizzabilità a < λ/4. Omogeneizzabilità Rispettando tale condizione, il mezzo risulta omogeneizzabile e può essere descritto attraverso una permettività e una permeabilità efficaci.

4 Metamateriali Concetti introduttivi Definizione Un metamateriale è un mezzo artificiale che dal punto di vista elettromagnetico, esibisce proprietà che vanno al di là di quelle possedute dagli ordinari mezzi naturali. Procedimento realizzativo È costituito dalla ripetizione periodica di una cella unitaria con dimensione caratteristica a, che rispetta il limite di omogeneizzabilità a < λ/4. Omogeneizzabilità Rispettando tale condizione, il mezzo risulta omogeneizzabile e può essere descritto attraverso una permettività e una permeabilità efficaci.

5 Metamateriali Concetti introduttivi Definizione Un metamateriale è un mezzo artificiale che dal punto di vista elettromagnetico, esibisce proprietà che vanno al di là di quelle possedute dagli ordinari mezzi naturali. Procedimento realizzativo È costituito dalla ripetizione periodica di una cella unitaria con dimensione caratteristica a, che rispetta il limite di omogeneizzabilità a < λ/4. Omogeneizzabilità Rispettando tale condizione, il mezzo risulta omogeneizzabile e può essere descritto attraverso una permettività e una permeabilità efficaci.

6 Assorbitori metamateriali Caratterizzazione e utilizzazioni Definizione L assorbitore metamateriale ideale è un dispositivo in cui tutta la radiazione incidente è assorbita alla frequenza di lavoro. Assorbimento e parametri di scattering Per ottenere un alto assorbimento, la trasmissione e la riflessione devono essere simultaneamente minimizzate: A(ω) = 1 R(ω) T (ω) = 1 S 11 2 S 21 2 Applicazioni in ambito spaziale Possono essere usati come emettitori e sensori, nelle comunicazioni wireless, nella riduzione della radiazione dei lobi laterali delle antenne, nell ambito della compatibilità elettromagnetica per ridurre le interferenze fra componenti e circuiti elettronici montati sulla stessa piattaforma.

7 Assorbitori metamateriali Caratterizzazione e utilizzazioni Definizione L assorbitore metamateriale ideale è un dispositivo in cui tutta la radiazione incidente è assorbita alla frequenza di lavoro. Assorbimento e parametri di scattering Per ottenere un alto assorbimento, la trasmissione e la riflessione devono essere simultaneamente minimizzate: A(ω) = 1 R(ω) T (ω) = 1 S 11 2 S 21 2 Applicazioni in ambito spaziale Possono essere usati come emettitori e sensori, nelle comunicazioni wireless, nella riduzione della radiazione dei lobi laterali delle antenne, nell ambito della compatibilità elettromagnetica per ridurre le interferenze fra componenti e circuiti elettronici montati sulla stessa piattaforma.

8 Assorbitori metamateriali Caratterizzazione e utilizzazioni Definizione L assorbitore metamateriale ideale è un dispositivo in cui tutta la radiazione incidente è assorbita alla frequenza di lavoro. Assorbimento e parametri di scattering Per ottenere un alto assorbimento, la trasmissione e la riflessione devono essere simultaneamente minimizzate: A(ω) = 1 R(ω) T (ω) = 1 S 11 2 S 21 2 Applicazioni in ambito spaziale Possono essere usati come emettitori e sensori, nelle comunicazioni wireless, nella riduzione della radiazione dei lobi laterali delle antenne, nell ambito della compatibilità elettromagnetica per ridurre le interferenze fra componenti e circuiti elettronici montati sulla stessa piattaforma.

9 Assorbitore metamateriale di N. I. Landy et al. Geometria della struttura base e risultati pubblicati nel regime dei THz Dimensioni a=84 µm, g=4 µm, d=5.8 µm, w=11 µm, L 1 =30.5 µm, L 2 =52.5 µm, L 3 =74 µm, L 4 =64 µm L assorbimento è del 95% alla frequenza di 1.13 THz

10 Verifica dei valori dichiarati al THz Ottimizzazione e riscontri del modello di riferimento a=80 µm g=3.5 µm d=5.8 µm h=5.5 µm w=11 µm L 1 =26 µm L 2 =48 µm L 3 =70 µm L 4 =60 µm Materiali metallizzazioni: oro dielettrico: BCB benzocyclobutane substrato: silicio L assorbimento è del 97% alla frequenza di 1.16 THz

11 Incidenza obliqua Polarizzazione trasversa elettrica TE e trasversa magnetica TM Polarizzazione TE Polarizzazione TM Costante di propagazione β = k z [rad/m] Componente y del campo elettrico E y = e ikxx [V/m] Costante di propagazione β = k z [rad/m] Componente y del campo magnetico H y = e ikxx [A/m]

12 Analisi in incidenza obliqua al THz Test in polarizzazione TE/TM per angoli di incidenza di 0, 20, 40, 60, 80 Polarizzazione TE Il picco di assorbimento decresce monotonicamente all aumentare dell angolo di incidenza. Polarizzazione TM Al crescere dell angolo di incidenza, si presenta un blueshift della frequenza di risonanza ed un ulteriore picco intorno a 1.32 THz.

13 Rimodellamento dell assorbitore metamateriale Test della struttura al GHz Dimensionamento In base al principio di scalabilità, le dimensioni della cella unitaria sono state moltiplicate per un fattore 100, così da poter operare nel regime dei gigahertz. Materiali metallizzazioni: rame dielettrico: policarbonato substrato: allumina/taconic L assorbimento è del 96.6% alla frequenza di GHz

14 Analisi in incidenza obliqua al GHz Test in polarizzazione TE e TM al variare dell angolo di incidenza Polarizzazione TE Curve di assorbimento, riflessione e trasmissione al variare dell angolo di incidenza alla frequenza del picco di risonanza di GHz. Polarizzazione TM L irregolare andamento della curva di assorbimento è dovuto al blueshift dei picchi di risonanza all aumentare dell angolo di incidenza.

15 Progetto di assorbitore metamateriale narrow band Geometria e risultati del modello con piatto metallico al THz Dimensioni a=80 µm, g=3.5 µm, d=5.8 µm, w=11 µm, L 1 =26 µm, L 2 =48 µm, L 3 =70 µm Assorbimento al THz 99.99% alla frequenza di 1.16 THz Assorbimento al GHz 99.98% alla frequenza di 11.7 GHz.

16 Assorbitore con electric ring resonator ERR complementare e piatto metallico al THz e al GHz Assorbimento al THz 99.08% alla frequenza di 1.49 THz Assorbimento al GHz 99.96% alla frequenza di GHz Andamenti al THz Andamenti al GHz

17 Simulazioni in incidenza normale ed obliqua al THz Test in polarizzazione TE e TM per l assorbitore con ERR complementare Polarizzazione TE Polarizzazione TM

18 Progetto di assorbitore metamateriale dual band Geometria della struttura e risultati del modello al THz Configurazione Le tre metallizzazioni di oro: l electric ring resonator ERR la cross il piatto metallico sono intervallate da uno strato superiore di BCB con spessore 5 µm e da uno strato inferiore di silicio con spessore 6.5 µm. Risultati al THz Assorbimento del 98.67% a 0.75 THz Assorbimento del 99.15% a 1.15 THz Risultati al GHz Assorbimento del 99.98% a 7.55 GHz Assorbimento del 99.14% a GHz

19 Assorbitore dual band in polarizzazione TE e TM Assorbimento al variare dell angolo di incidenza al THz Polarizzazione TE Polarizzazione TM

20 Progetto di assorbitore metamateriale broadband Geometria e risultati del modello con piatto metallico al THz Configurazione La struttura è stata ottenuta intervallando sopra al piatto metallico tre electric ring resonators ERRs opportunamente scalati e distanziati. Banda di assorbimento al THz prossima a 0.29 THz. Banda di assorbimento al GHz prossima a 2.88 GHz.

21 Omogeneizzazione Teoria dell interferenza e metodo delle riflessioni multiple S 11 = R + R T T e 2jk z d + R 3 T T e 4jk z d + + R 5 T T e 6jk z d +... = = R + R T T e 2jk z d + (R 2 e 2jk z d ) n = n=0 = R + R T T e 2jk z d 1 R 2 e 2jk z d S 21 = T T e jk z d + R 2 T T e 3jk z d + + R 4 T T e 5jk z d +... = = T T e jk z d + (R 2 e 2jk z d ) n = n=0 = T T e jk z d 1 R 2 e 2jk z d

22 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

23 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

24 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

25 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

26 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

27 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

28 Omogeneizzazione Algoritmo di Nicolson, Ross e Weir NRW S 11 (ω) = Γ(1 t2 ) 1 Γ 2 t 2 S 21 (ω) = t(1 Γ2 ) 1 Γ 2 t 2 X = S2 11 S S 11 Γ = X ± X 2 1 = z 1 z + 1 z = ± (1 + S 11) 2 S21 2 (1 S 11 ) 2 S21 2 t = S 11 + S 21 Γ 1 (S 11 + S 21 )Γ t = S 21 1 S 11 Γ = e jk 0 nd n = ± jλ 0 2πd ln ( ) 1 Γ 1; z 0; n 0 t ε r = ε jε = n z µ r = µ jµ = nz

29 Estrazione dei parametri elettromagnetici ε e µ Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al THz Assorbitore metamateriale Assorbitore narrow band

30 Estrazione dei parametri elettromagnetici ε e µ Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al THz Assorbitore con ERR complementare Assorbitore dual band

31 Grounded slab: teoria dell interferenza Metodo delle riflessioni multiple R s = R T T e 2jk z d + R T T e 4jk z d R 2 T T e 6jk z d +... = R T T e 2jk z d 1 + R e 2jk z d I coefficienti di riflessione R, R e di trasmissione T, T all interfaccia aria/dielettrico con l array di ERRs sono ricavati simulando la cella unitaria senza il piatto metallico.

32 Verifica del metodo del grounded slab Riscontro degli andamenti dell assorbimento ottenuti nel regime dei THz La formulazione del grounded slab Sviluppata in un codice Matlab e applicata agli assorbitori metamateriali narrow band e con ERR complementare, risulta concorde con gli andamenti simulati.

33 Assorbitore metamateriale isotropo al THz Andamenti della riflessione ottenuti dalle simulazioni e dall algoritmo NRW Assorbitore metamateriale e narrow band in polarizzazione TE Assorbitore metamateriale e narrow band in polarizzazione TM

34 Conclusioni Progetti di assorbitori metamateriali Progressive ottimizzazioni della struttura hanno portato all elaborazione di alternativi modelli di assorbitori metamateriali narrow band, con ERR complementare, dual band e broadband con assorbimenti fino al 99.99%. Omogeneizzazione Il confronto fra i risultati delle simulazioni Comsol e del codice Matlab di omogeneizzazione mostra un ottimo accordo.

35 Conclusioni Progetti di assorbitori metamateriali Progressive ottimizzazioni della struttura hanno portato all elaborazione di alternativi modelli di assorbitori metamateriali narrow band, con ERR complementare, dual band e broadband con assorbimenti fino al 99.99%. Omogeneizzazione Il confronto fra i risultati delle simulazioni Comsol e del codice Matlab di omogeneizzazione mostra un ottimo accordo.

36 Conclusioni Prospettive di impiego nella componentistica spaziale riduzione delle interferenze nei circuiti elettronici per risolvere problemi di compatibilità elettromagnetica; perfezionamento delle proprietà radiative delle antenne soprattutto nella riduzione della radiazione dei lobi laterali; riduzione della radar cross section (RCS); ottimizzazione di apparati radar sia nella rilevazione che nell occultamento verso altri sistemi radar; emettitori, microbolometri, elementi di rilevamento, detector al THz, applicazioni d immagine; schermi antiriflettenti; campo termofotovoltaico; applicazioni spettroscopiche.

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38 Progetti di assorbitori metamateriali a 10 e 20 strati Comparazione delle curve di assorbimento al THz e al GHz Si evidenziano in generale, un redshift del picco di risonanza ed un allargamento della banda di assorbimento. Al THz, il picco massimo raggiunge il 99.6% a 1.08 THz, mentre al GHz si approssima al 99.7% a GHz. Raffronto 1, 10, 20 strati al THz Raffronto 1, 10 strati al GHz

39 Estrazione dei parametri elettromagnetici z e n Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al THz Assorbitore metamateriale Assorbitore narrow band

40 Estrazione dei parametri elettromagnetici z e n Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al THz Assorbitore con ERR complementare Assorbitore dual band

41 Estrazione dei parametri elettromagnetici ε, µ, z, n Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al THz

42 Estrazione dei parametri elettromagnetici ε, µ, z, n Implementazione nel codice Matlab dell algoritmo NRW al GHz

43 Verifica del metodo del grounded slab Riscontro degli andamenti dell assorbimento ottenuti nel regime dei GHz Confronto fra le curve di assorbimento ottenute con la simulazione Comsol e col metodo del grounded slab per l assorbitore narrow band e l assorbitore con ERR complementare.

44 Assorbitore metamateriale isotropo al GHz Andamenti della riflessione ottenuti dalle simulazioni e dall algoritmo NRW Assorbitore metamateriale e narrow band in polarizzazione TE Assorbitore metamateriale e narrow band in polarizzazione TM

45 Assorbitore narrow band in incidenza obliqua al THz Test in polarizzazione TE/TM per angoli di incidenza di 0, 20, 40, 60, 80 Polarizzazione TE Il picco di assorbimento si riduce al crescere dell angolo di incidenza, rimanendo comunque invariata la frequenza di assorbimento di 1.16 THz. Polarizzazione TM Per angoli minori di 60, si ottiene un assorbimento superiore al 99%, mentre a 80 si evidenziano due picchi del 93.56% e del 40.56% rispettivamente a 1.19 THz e 1.4 THz.

46 Simulazioni in incidenza normale ed obliqua al GHz Test in polarizzazione TE e TM per l assorbitore narrow band Il modello con piatto metallico al THz è stato riconfigurato applicando la proprietà di scalabilità. L assorbimento è del 99.98% alla frequenza di 11.7 GHz. Polarizzazione TE Polarizzazione TM

47 Simulazioni in incidenza normale ed obliqua al GHz Test in polarizzazione TE e TM per l assorbitore con ERR complementare Assorbimento del 99.96% a GHz All aumentare dell angolo di incidenza, in polarizzazione TE si attenua il picco di assorbimento, mentre in polarizzazione TM si evidenzia un redshift dei picchi di risonanza. Polarizzazione TE Polarizzazione TM

48 Simulazioni in incidenza normale ed obliqua al GHz Test in polarizzazione TE e TM per l assorbitore dual band La struttura è stata riprogettata secondo il principio di scalabilità. Assorbimento del 99.98% a 7.55 GHz Assorbimento del 99.14% a GHz Polarizzazione TE Polarizzazione TM

49 Assorbitore dual band in incidenza obliqua al GHz Curve di assorbimento in polarizzazione TE e TM Polarizzazione TE Con l aumentare dell angolo di incidenza, si riscontra un più alto grado di efficienza alla frequenza di GHz. Polarizzazione TM L incremento dell angolo di incidenza determina una prestazione migliore alla frequenza di 7.55 GHz.

50 Assorbitore broadband in incidenza obliqua al THz Test in polarizzazione TE/TM per angoli di incidenza di 0, 20, 40, 60, 80 Polarizzazione TE Con l aumentare dell angolo di incidenza, si riscontra una progressiva riduzione dell assorbimento e della larghezza di banda. Polarizzazione TM L incremento dell angolo di incidenza determina un blueshift ed un graduale allargamento della banda di assorbimento.

51 Simulazioni in incidenza normale ed obliqua al GHz Test in polarizzazione TE e TM per l assorbitore broadband Confronto tra l assorbitore narrow band e l assorbitore broadband con piatto metallico. La larghezza della banda di assorbimento è prossima a 2.88 GHz. Polarizzazione TE Polarizzazione TM