ETD

• electromagnetic metasurface
• magnetic metasurface
• magnetic resonance imaging
• magneto-inductive waves
• wireless power transfer

This thesis investigates the modeling and design of electromagnetic metasurfaces operating from the low radiofrequency (RF) regime to microwave frequencies. Metasurfaces enable tailored manipulation of electromagnetic fields through compact, subwavelength structures, with applications in biomedical technologies, wireless power transfer (WPT), automotive communications, and analog computing.
Two complementary approaches are developed. In the low-RF regime, metasurfaces composed of magnetically coupled loop resonators are described using a circuit-based formalism, enabling field focusing, shielding, homogenization, and the implementation of multi-frequency WPT systems. The propagation of magneto-inductive waves is analyzed, and the possibility of performing analog mathematical operations, such as linear combinations and matrix–vector multiplications, is demonstrated through simulations and experiments.
At microwave frequencies, metasurfaces are studied using transmission-line models and full-wave simulations with periodic boundary conditions. Applications include automotive antenna enhancement and biomedical matching layers for improved power transfer into tissue. Throughout the thesis, analytical modeling is consistently validated through simulations and measurements, providing a unified and experimentally grounded framework for metasurface design across different frequency regimes.

Questa tesi indaga la modellazione e la progettazione di metasuperfici elettromagnetiche operanti dal regime delle basse radiofrequenze (RF) fino alle microonde. Le metasuperfici consentono una manipolazione controllata dei campi elettromagnetici mediante strutture compatte e sub-lunghezza d’onda, con applicazioni in tecnologie biomedicali, trasferimento di potenza wireless (WPT), comunicazioni automobilistiche e calcolo analogico.
Vengono sviluppati due approcci complementari. Nel regime delle basse RF, metasuperfici costituite da risonatori a loop magneticamente accoppiati sono descritte tramite un formalismo circuitale, che consente di ottenere focalizzazione del campo, schermatura, omogeneizzazione e l’implementazione di sistemi WPT multi-frequenza. La propagazione di onde magneto-induttive viene analizzata e, tramite simulazioni ed esperimenti, viene dimostrata la possibilità di eseguire operazioni matematiche analogiche, quali combinazioni lineari e moltiplicazioni matrice–vettore.
Alle frequenze di microonde, le metasuperfici sono studiate mediante modelli a linea di trasmissione e simulazioni elettromagnetiche full-wave con condizioni al contorno periodiche. Le applicazioni includono il miglioramento delle prestazioni di antenne per il settore automotive e strati di adattamento biomedicali per ottimizzare il trasferimento di potenza nei tessuti biologici. Nel corso della tesi, la modellazione analitica è costantemente validata tramite simulazioni e misure sperimentali, fornendo un quadro metodologico unificato e supportato sperimentalmente per la progettazione di metasuperfici in diversi regimi di frequenza.