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.
