ALESSANDRO CALCATERRA

PhD

PhD program:: XXXIII


advisor: Fabrizio Frezza

Thesis title: Analisi e progetto di strutture ottimizzate per la propagazione in profondità del campo elettromagnetico all’interno di mezzi dissipativi

Un campo elettromagnetico che propaga all'interno di un mezzo ed incide su un secondo mezzo qualsiasi, genera per le ben note leggi di Snell un'onda riflessa ed una trasmessa. La prima continua a vivere nel primo mezzo, invertendo semplicemente la direzione di propagazione ed allontanandosi dall'interfaccia ove è avvenuta l'incidenza. L'onda trasmessa, invece, entra nel secondo mezzo, adattando la sua lunghezza d'onda e la direzione verso cui si muove alle sue caratteristiche elettromagnetiche. A seconda delle caratteristiche dei mezzi e delle onde elettromagnetiche in gioco, l'onda trasmessa può non esserci (fenomeno della riflessione totale) o essere l'unica onda prodotta dall'incidenza sul secondo mezzo (fenomeno della trasmissione totale). Ancora, a seconda delle caratteristiche dei mezzi, l'onda trasmessa potrebbe decadere quasi all'istante, come avviene nel caso in cui il secondo mezzo sia un buon conduttore. In questa dissertazione, verranno trattati casi in cui il primo mezzo è l'aria, mentre il secondo mezzo è costituito da materiali che sono cattivi conduttori elettrici, ma tuttavia abbastanza dissipativi da porre un limite alla profondità che un generico campo elettromagnetico può raggiungere al loro interno. Molte applicazioni prevedono di sparare un campo all'interno di un mezzo come quelli considerati: ne è un esempio il Ground Penetrating Radar (GPR), le tecniche di ipertermia o ablazione a microonde, i see-through-wall radar, le metodologie di SAR Imaging. Essere in grado di generare un campo che possa propagare in profondità in questi mezzi permetterebbe di identificare oggetti interrati più a fondo, di operare tumori che coprono aree più vaste, di fornire immagini radar con maggiore risoluzione. In letteratura sono presenti vari studi analitici che hanno dimostrato la possibilità di penetrare all'interno di mezzi dissipativi tramite onde non omogenee. Nei primi capitoli di questa tesi, verranno innanzitutto ripercorse le basi dell'elettromagnetismo classico, ponendo l'attenzione alle soluzioni propagative delle equazioni di Maxwell. Dopodiché, verranno analizzate in dettaglio le soluzioni d'onda non omogenee, che saranno le principali protagoniste del lavoro, e i metodi esistenti per generarle: con antenne più note, come le antenne ad onda leaky, ed anche con strutture meno conosciute come la horn TEM con prisma dissipativo. Verrà poi introdotto il fenomeno della deep-penetration, mostrandone i limiti ma sopratutto le possibilità. Al termine del terzo capitolo verrà dimostrato numericamente come effettivamente le antenne che irradiano onde non omogenee penetrino di più all'interno di un mezzo dissipativo con caratteristiche elettromagnetiche ideali. Un campo che propaga più in profondità equivale ad una potenza trasportata più a fondo: a parità di caratteristiche termiche del materiale considerato, maggiore potenza elettromagnetica dissipata significa essere in grado di scaldare più a fondo. Per superare l'ipotesi di un mezzo matematico con caratteristiche non realistiche, si è valutata una reale applicazione pratica del fenomeno e delle antenne dimostratesi utili al vericarlo. Nel quarto capitolo si sono dunque utilizzate le antenne progettate nel terzo capitolo per riscaldare un campione di tessuto biologico, composto da una stratificazione di pelle, grasso e muscoli. Il confronto è stato fatto dapprima in banda X, dopodiché una delle due strutture è stata riprogettata per lavorare in banda S, una banda più tipicamente utilizzata per queste applicazioni. In quest'ultimo caso, si è eettuato uno studio volto a valutare le performance ottenute in relazione a quelle ottenibili dalle antenne attualmente impiegate per questa applicazione. Inne, nell'ultimo capitolo, è stato proposto un nuovo metodo per generare onde non omogenee: si è dimostrata infatti la possibilità di sintetizzare una antenna ad onda leaky-wave tramite un array fasato. L'equivalenza è stata dimostrata numericamente in campo lontano, ma sopratutto in campo vicino, dando una descrizione del campo elettromagnetico generato dall'array sotto forma di onda non omogenea. Il risultato ottenuto, preannunciato dal teorema di equivalenza, si è dimostrato essere un campionamento tramite sorgenti discrete di una distribuzione continua di corrente. La possibilità di eccitare singolarmente ogni elemento dell'array, permette di avere molti più gradi di libertà rispetto ad una antenna ad onda leaky, e la loro ottimizzazione potrebbe portare a risultati migliori. Per il problema elettromagnetico e termico si è utilizzato un solver commerciale (CST MW Studio) che implementa la Finite Integration Technique (FIT), software resi disponibili dal Lab. del Prof. Frezza all'Università degli Studi di Roma "La Sapienza". L'elaborazione dei dati è stata invece eseguita con Matlab.

Research products

  • 11573/1173439 - 2018 - Numerical evaluation of electromagnetic-wave penetration at normal incidence through an inhomogeneous-wave approach (01a Articolo in rivista)
    CALCATERRA, ALESSANDRO; FREZZA, FABRIZIO; SIMEONI, PATRIZIO; TEDESCHI, NICOLA
  • 11573/1411224 - 2020 - Self-sustained biconical antenna realized in Additive Manufacturing technology (04f Poster)
    CALCATERRA, ALESSANDRO
  • 11573/1465340 - 2020 - A compact and lightweight ultra-wideband interferometer for direction finding applications (04b Atto di convegno in volume)
    CALCATERRA, ALESSANDRO
  • 11573/1653313 - 2021 - Supplementary Information: Verification of the electromagnetic deep‑penetration effect in the real world (01a Articolo in rivista)
    BACCARELLI, PAOLO; CALCATERRA, ALESSANDRO; FREZZA, FABRIZIO; MANGINI, FABIO; RICCIARDELLA, NICHOLAS; SIMEONI, PATRIZIO; TEDESCHI, NICOLA
  • 11573/1653311 - 2021 - Verification of the electromagnetic deep-penetration effect in the real world (01a Articolo in rivista)
    BACCARELLI, PAOLO; CALCATERRA, ALESSANDRO; FREZZA, FABRIZIO; MANGINI, FABIO; RICCIARDELLA, NICHOLAS; SIMEONI, PATRIZIO; TEDESCHI, NICOLA

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