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Diego Masotti

Professore associato

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-INF/02 CAMPI ELETTROMAGNETICI

Coordinatore del Corso di Laurea Magistrale in Telecommunications Engineering

Temi di ricerca

Parole chiave: Antenne rettificatrici a RF e ai THz Antenne indossabili/impiantabili e su carta Sensori wireless di spostamento (a RF) Antenne miniaturizzate Circuiti non lineari Co-simulazione non lineare/elettromagnetica

1) La linea di ricerca si propone di sfruttare un approccio generale sviluppato dal gruppo di ricerca per la simulazione a livello circuitale di radiocollegamenti a radio-frequenza (RF) combinando l'analisi circuitale alla simulazione elettromagnetica.

2) L'approccio rigoroso sviluppato in 1) verrà applicato al radio-collegamento tra sorgenti a RF presenti nell'ambiente e sottosistemi non lineari preposti al recupero di tale potenza a RF (antenne rettificatrici o rectenne) appositamente progettati.

3) L'esperienza maturata nell'attività 2) verrà utilizzata per cercare di estendere la capacità di recupero energetico a frequenze dell'ordine del THz, per poter sfruttare le radiazioni provenienti dal corpo umano e dalla radiazione solare.

4) La tematica di ricerca si propone di studiare la problematica delle Trasmissione Wireless di Potenza (WPT), sia a microonde per la progettazione di interi front-end (comprensivi di antenna) che dovranno alimentare e/o selezionare in modalità wireless apparati/sensori privi di batteria posti a grande distanza, sia a frequenze HF per la trasmissione a breve distanza di alta potenza tramite accoppiamento risonante.

5) La linea di ricerca si propone di combinare la tecnologia RFID (RadioFrequency IDentification) a quella Ultra Wide Band (UWB) per il progetto di tag RFID-UWB a bassa complessità che permettano l'inseguimento di oggetti “tagged” in complessi scenari realistici.

6) La linea di ricerca si propone di sviluppare una nuova classe di sensori per il monitoraggio di strutture sotto sforzo, miniaturizzati, e di basso costo che possano essere interrogati a distanza senza connessione (ovvero in modo “wireless”), superando i limiti dei tradizionali sensori di spostamento.



1) La linea di ricerca si avvale di un nuovo e generale approccio alla simulazione a livello circuitale di radio collegamenti (link analysis), combinando le tecniche di analisi circuitale di circuiti di grandi dimensioni alla simulazione elettromagnetica. I due diversi ambienti sono armonizzati nell'ambito di una nuova piattaforma CAD multi-dominio mediante rigorosa applicazione della teoria elettromagnetica. In questo modo e' possibile valutare il campo effettivamente ricevuto dall'antenna ricevente in qualsiasi condizione di collegamento: ossia quando le antenne (trasmittente e ricevente) si trovano nella zona di campo lontano o di campo vicino e quando la antenna ricevente e' o meno posta lungo la direzione di massima intensita'  di irradiazione dell'antenna trasmittente.

2) Lo strumento sviluppato in 1) verra'  impiegato per valutare rigorosamente la potenza a RF che appositi sottosistemi non lineari (antenne rettificatrici o rectenne) sono in grado di prelevare dalle sorgenti ambientali oramai presenti in ogni luogo abitato. A tale scopo svolgono un ruolo fondamentale due aspetti: i) il progetto dell'antenna in grado di prelevare dall'ambiente piu' potenza possibile: a nostro avviso la scelta piu' adatta allo scopo e' quella di antenne multi-risonanti ad elevato rendimento. La difficolta'  sta nel progettare elementi radianti siffatti, che risuonino, quindi, in corrispondenza delle frequenze tipicamente presenti nell'ambiente: GSM900, GSM1800, UMTS, WiFi. Un importante ausilio a questa fase della ricerca sara'  l'impiego di algoritmi di ottimizzazione di tipo genetico abbinati al simulatore elettromagnetico, per ottenere per via numerica le prestazioni "spinte" richieste. ii) progetto del convertitore RF-DC in grado di rettificare la potenza a RF captata dall'antenna: questo componente svolge un ruolo nevralgico nel bilancio complessivo di potenza, perche' influenza fortemente l'efficienza di conversione dell'intero sottosistema. Il metodo descritto verra'  poi adottato per la progettazione di rectenne su substrati non tradizionali, ossia materiali indossabili e cartacei, allo scopo di realizzare sistemi di recupero energetico indossabili e a basso impatto ambientale. Per questa attivita'  sara'  indispensabile caratterizzare elettromagneticamente, per via sperimentale, i materiali selezionati, dato che caratteristiche indispensabili, come la permettivita' , non sono note in maniera accurata; solo dopo questa fase delicata si potra'  procedere al progetto di antenne rettificatrici indossabili e su carta. L'effetto del corpo umano e delle inevitabili deformazioni degli elementi radianti sara'  oggetto di attenta indagine. L'attivita'  di ricerca prevedera'  la realizzazione di prototipi per suffragare i risultati ottenuti per via numerica.

3) A partire dall'esperienza maturata dal gruppo di ricerca nell'ambito del recupero energetico a radio-frequenza (RF), questa attivita'  intende investigare la fattibilita'  di sistemi di "energy harvesting" operanti nel range di frequenza dell'infrarosso, per poter recuperare energia, ad esempio, sfruttando le emissioni termiche del corpo umano (attorno a 30 THz) e le emissioni solari (centinaia di THz).

La motivazione principale alla base di questa ricerca e' fortemente legata al fatto che le rectenne operanti alle RF/microonde hanno gia'  dimostrato elevate efficienze di conversione (70, 80 %) dalla RF alla continua. La sfida e' quindi quella di cercare di raggiungere efficienze paragonabili che consentano di convertire la potenza disponibile ai THz fino alla continua, traendo ulteriore vantaggio dal fatto che in questo range di frequenza il budget energetico a disposizione e' enormemente piu' elevato rispetto all'esiguo corrispondente a RF, presente nei comuni ambienti antropizzati. L'importanza di questa indagine e' enfatizzata anche dal confronto con le prestazioni offerte dai piu' moderni sistemi di recupero energetico dall'energia solare (pannelli fotovoltaici): questi, infatti, non superano efficienze del 30, 40 %.

Al fine di valutare le potenzialita' dei sistemi oggetto della presente attivita'  sara'  necessario procedere parallelamente con due filoni di ricerca:i) sviluppo di modelli circuitali di diodi MOM (Metal-Oxide-Metal) e di diodi in grafene (e loro realizzazione): infatti, i tradizionali diodi Schottky utilizzati nei semplici rettificatori ad onda intera a bordo delle attuali rectenne, hanno dimostrato comportamenti accettabili non oltre i 5 THz. Attivita'  gia'  condotte da altri gruppi di ricerca indicano nei diodi MOM e soprattutto nei diodi su grafene i potenziali sostituti degli Schottky per le operazioni di rettificazione nel range dei THz. Al fine di poter sfruttare gli strumenti di co-simulazione non lineare/elettromagnetica sviluppati nel corso degli anni dal nostro gruppo di ricerca sara'  necessario inserire nel simulatore circuitale un accurato modello non lineare del diodo MOM, a partire da modelli gia'  presenti nella letteratura specializzata; ii) progetto elettromagnetico di micro-antenne operanti ai THz: siccome le perdite delle micro-antenne, assieme a quelle del circuito di rettificazione, contribuiscono all'efficienza di conversione globale del sistema sara'  fondamentale garantire elevate efficienze di radiazione da parte dell'apparato radiante/ricevente. Al fine di garantire le prestazioni richieste sara'  necessario incrementare l'area efficace delle antenne e quindi combinare le micro-antenne selezionate in array bidimensionali. Saranno investigate anche topologie di micro-antenne larga-banda per sfruttare il piu' ampio spettro possibile di onde incidenti. Sempre nell'ambito di questo filone di ricerca abbiamo intenzione di investigare anche l'impiego delle moderne tecnologie basate su nano-tubi di carbonio (graphene) anche per la parte radiante.

4) Per lo studio della Wireless Power Transmission (WPT) a microonde lo strumento che consente di valutare rigorosamente il bilancio di tratta verra'  in questo caso utilizzato per il progetto dei componenti lineari (antenne) e non (front-end) di un radio-collegamento cosi' pensato: il trasmettitore sara'  un sistema alimentato dotato di una schiera di antenne a fascio variabile, il ricevitore sara'  un sistema passivo, privo di batteria (ad es. sensore) dotato di una o piu' antenne poco direttive. Lo scopo e' duplice: i) consentire la trasmissione wireless di potenza a RF in direzioni dello spazio ben precise per alimentare i sensori; ii) qualora i ricevitori/sensori siano dotati di tag RFID, consentire di trovare e selezionare tali oggetti "intelligenti", eventualmente in movimento, anche in ambienti multi-tag. Per il primo scopo sara'  utile sfruttare i risultati dell'attivita'  2), visto che il parametro da massimizzare risultera' comunque sempre essere l'efficienza di conversione RF-DC, ossia il rapporto tra la potenza a RF ricevuta dall'antenna rettificatrice e la potenza continua "raddrizzata" in uscita. Per il secondo scopo sara'  invece necessario sfruttare il noto principio del monopulse-radar combinato con la scansione elettronica della schiera trasmittente per riuscire nell'intento. Prototipi del lettore portatile e a basso costo saranno realizzati.

Nello studio della Wireless Power Transmission (WPT) a frequenze HF (e oltre) sara'  ancora fondamentale l'approccio non lineare/elettromagnetico, per l'analisi ed il progetto dell'oscillatore e degli avvolgimenti per l'accoppiamento risonante. A tale proposito si sta valutando l'impiego di materiali magneto-dielettrici come supporto degli avvolgimenti, al fine di incrementare la distanza e/o l'accoppiamento tra loop Trasmitter e loop Receiver.

5) La linea di ricerca prevede di progettare tag RFID passivi (quindi privi di batterie) a bassa complessita'  sfruttando la promettente tecnologia a banda ultra-larga (UWB) che permettano l'inseguimento di oggetti "tagged" in scenari realistici. I dispositivi RFID che impiegano gli attuali standard di comunicazione nella banda UHF hanno una risoluzione insufficiente per ottenere un accurato posizionamento. La scelta della tecnologia UWB dovrebbe garantire una maggiore risoluzione grazie alla superiore robustezza al fading dovuto a cammini multipli, e alla capacita'  di penetrare ostacoli come muri e alberi. A tale scopo sara'  necessario il progetto di antenne UWB. La combinazione di una descrizione realistica del canale e della solita descrizione a livello circuitale del sistema radiante coinvolto nel collegamento radio arricchiranno lo strumento CAD che potra'  cosi' essere utilizzato per ottimizzare la scelta del posizionamento dei nodi, dei tipi di antenna, ecc., per ciascuno scenario considerato. La possibilita'  di collocare nel medesimo apparato un'antenna UWB per la comunicazione e la stima della distanza (ranging) e una antenna UHF per il recupero energetico del tag (non batterizzato) costituira'  inoltre un ulteriore campo di indagine. Si investighera'  la possibilita'  di realizzare singoli sistemi radianti in grado di coprire le due bande di frequenza oggetto dell'attivita'  di ricerca (UHF+UWB). In questa attivita'  sara'  anche studiata la possibilita'  di impiantare nel corpo (inizialmente di animali) o di appoggiare sul corpo umano tali tag, per consentire il monitoraggio di parametri fisiologici (ritmo respiratorio, battito cardiaco, ph del sudore ecc.). Il progetto dei sistemi non lineari radianti ed il calcolo del budget del collegamento (con tecnica descritta in 1)) dovranno ovviamente tenere conto dell'effettivo scenario in cui la comunicazione avviene (presenza di tessuti corporei)

6) L'attivita'  scientifica oggetto di questa linea di ricerca e' volta allo sviluppo di sistemi per il monitoraggio della salute strutturale di opere civili, con particolare attenzione verso una realizzazione miniaturizzata, a bassissimo costo e minimamente invasiva rispetto a quelle attualmente disponibili. I sensori di nuova concezione potranno essere interrogati a distanza senza connessione (ovvero in modo wireless), e fornire l'indicazione sulla distanza relativa di punti strumentati con antenne a radiofrequenza miniaturizzate, attraverso le figure d'interferenza delle onde elettromagnetiche da esse trasmesse. In questa ottica la tecnologia RFID (o MMID) sembra particolarmente promettente grazie all'innalzamento delle frequenze di utilizzo che consente sia di aumentare la distanza tra lettore e tag/sensore, sia di miniaturizzare gli elementi radianti. Mediante la realizzazione di prototipi, ci si aspetta di poter consentire il monitoraggio strutturale in maniera funzionale, economica e flessibile. Si ritiene possibile, infatti, applicare i sensori in maniera semplice, eventualmente anche in fase di costruzione, e di poter ottimizzare il loro numero e la loro disposizione mediante lo strumento di co-simulazione non lineare/elettromagnetica di radio collegamenti utilizzato anche nelle linee di ricerca precedenti.