Metamateriali e superfici selettive in frequenza

I metamateriali sono materiali artificiali costruiti mediante l’impiego di strutture metallo-dielettriche molto più piccole della lunghezza d’onda. Mediante queste strutture ingegnerizzati è possibile sintetizzare proprietà non reperibili in natura quali permettività dielettrica e permeabilità magnetica negative ed indice di rifrazione negativo. Questi mezzi innovativi permettono di controllare la propagazione dei campi elettromagnetici al fine di realizzare dispositivi per il cloacking elettromagnetico, degli assorbitori perfetti e delle superlenti. I metamateriali possono essere impiegati su un range frequenziale molto vasto che si estende dalle microonde fino al range ottico passando per il cosiddetto THz gap.

I metamateriali possono essere sia strutture tridimensionali che bidimensionali. In questo ultimo caso possono essere annoverate le superfici selettive in frequenza (Frequency Selective Surfaces - FSSs). Le FSSs sono strutture planari nella maggior parte delle applicazioni e sono costituite da elementi disposti periodicamente lungo una griglia bidimensionale. La principale caratteristica di una FSS consiste nella capacità di lasciar passare inalterate le onde elettromagnetiche in un certo range di frequenze e di riflettere tutte le altre. Questa peculiarità consente di utilizzare tali strutture in un’ampia gamma di applicazioni legate alle microonde, come ad esempio per realizzare filtri da utilizzare in antenne a riflettore o in guide d’onda, per ottenere radome o, ancora, per permettere la sintesi di superfici ad alta impedenza (High Impedante Surfaces) usate in un gran numero di applicazioni per le microonde.

Per l’analisi delle FSS sono comunemente impiegati sia metodi numerici volumetrici, come FEM e FDTD, oppure codici MoM dedicati. Sebbene l’analisi mediante queste tecniche portino a risultati accurati, esse necessitano di tempi di calcolo piuttosto lunghi ma, soprattutto, non permettono al progettista di acquisire le nozioni fisiche alla base di queste strutture. Una analisi alternativa prevede di modellizzare le FSS tramite dei circuiti a parametri concentrati quali una serie LC per un array di elementi non collegati tra loro (struttura elimina-banda) ed un circuito parallelo LC per un array di slot in un piano conduttore (struttura passa-banda). A seconda della forma della cella elementare cambiano i valori dei due componenti che formano il circuito equivalente [1]. Mediante tale tecnica è stato possibile modellizzare, dopo una preventiva simulazione full-wave di una certa cella elementare, FSS con elementi di forma qualsiasi.

Una valida tecnica utilizzata nella progettazione delle FSS è anche l’impiego di algoritmi di ottimizzazione stocastici che permettono la customizzazione delle caratteristiche trasmittenti e riflettenti [2, 3].