• magnetic resonance imaging
• precision agriculture
• RF sensors
• wireless power transfer

Electromagnetism is a fundamental branch of physics that describes the interaction and propagation of electric and magnetic fields. Although the understanding of these phenomena has ancient roots, it was through the pioneering work of scientists such as James Clerk Maxwell, Michael Faraday, and André-Marie Ampère that the theoretical foundation of electromagnetism was firmly established. Maxwell’s equations, formulated in the mid-19th century, unified electricity and magnetism into a single theoretical framework, demonstrating the intrinsic link between electric and magnetic fields, which must always coexist. According to Maxwell's theory, electric and magnetic fields are interdependent; the existence of one field inherently implies the presence of the other [1]. In other words, the two fields are inseparably coupled, as described by the famous equations governing their interaction.
This thesis specifically addresses the application of electromagnetic fields within the radiofrequency (RF) and microwave (MW) range, with a focus on developing and optimizing high Q-factor spiral resonators to be used as electromagnetic sensors and metasurface unit-cells. A central aspect of this work is the recognition that spiral resonators, which are highly sensitive to variations in the dielectric properties of nearby materials, can function not only as standalone sensors but also as the fundamental building blocks of metasurfaces. Leveraging a well-known analytical model, these resonators, when integrated into arrays, can be controlled to manipulate electromagnetic wave propagation and the current distributions within the array.
Moreover, both spiral resonators and metasurfaces share a common theoretical foundation, as their behaviour can be accurately modelled using equivalent RLC circuits [2]. The resistance, inductance, and capacitance of these circuits define their resonant characteristics, while the performance of these structures is critically governed by the Q-factor. Defined as the ratio of the total energy stored by the resonator to the energy lost per cycle (Q =E⁄ΔE), the Q-factor determines the sharpness of the resonance and, consequently, the efficiency of energy interaction with the surrounding electromagnetic environment. By optimizing the Q-factor, whether by enhancing the energy stored or minimizing the energy lost, it is possible to achieve greater sensitivity and improved energy transfer efficiency.
This thesis explores three key areas where these technologies have demonstrated significant potential: RF and MW Sensors for Precision Agriculture (PA), Resonant Inductive Wireless Power Transfer (WPT), and Magnetic Resonance Imaging (MRI).
In detail, Chapter 1 explores the development and application of microwave and radiofrequency sensors for wirelessly detecting plant responses to water stress. This research is conducted through a collaboration between the University of Florance, Department of Agriculture, Food, Environment and Forestry (DAGRI) and the University of Pisa, Department of Information Engineering, under the supervision of Professor Bindi and Professor Monorchio. The study focuses on two key case studies: maize (Zea mays L.) and olive trees (Olea europaea), addressing the need for real-time, non-invasive monitoring of plant water status in Precision Agriculture. The first study conducted on maize utilizes a microwave sensor to monitor changes in plant biological structural components as a response to different irrigation levels, providing insights into optimizing water usage. The sensor output is correlated with morpho-physiological and histochemical changes in plant structure, offering a detailed analysis of early water stress detection in crops. The second study represents a significant advancement by applying the same sensor technology to olive trees. This step forward is crucial for investigating a different species, with a focus on evaluating water stress in various plant organs such as the trunk and branches. The research assesses which organ responds first to hydric stress, offering new insights into the physiological processes of olive trees under drought conditions. The results highlight the distinct responses of different organs, thus enabling more targeted irrigation strategies and improving resource efficiency in tree crops.
Chapter 2 presents two key developments in the design of magnetic metasurfaces to enhance Wireless Power Transfer (WPT) systems. The first part focuses on spatial filtering magnetic metasurfaces designed to address efficiency losses due to misalignment in resonant inductive WPT systems. By controlling currents on a finite-size metasurface, the magnetic field distribution is optimized, avoiding edge effects. Full-wave simulations and experimental results confirm that this approach improves system robustness against misalignment, making it ideal for applications like consumer electronics and biomedical implants. The second part introduces arbitrarily conformal metasurfaces, which provide flexibility in achieving different behaviours. Two test cases are discussed: (i) shielding of undesired magnetic field exposure, as in the region behind an RF coil, useful in automotive and biomedical WPT, and (ii) focused power transmission, reducing electromagnetic exposure and field leakage. Both the configurations are validated through numerical simulations and experiments performed at 13.56 MHz, demonstrating the feasibility of the intended use cases.
Lastly, in Chapter 3 Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the main topic. The first part of this chapter focuses on the development of a metasurface specifically design to enhance ²³Na MRI at 3T. Sodium is crucial for maintaining cellular function and regulating tissue hydration, making ²³Na MRI a valuable tool for measuring sodium ion concentrations, which can provide insights into cellular viability, tissue damage, and conditions such as cancer or neurodegenerative diseases. However, the inherently low signal strength of ²³Na presents significant challenges for obtaining high-quality images. The primary objective of this study is to improve the signal-to-noise ratio (SNR) by optimizing the magnetic field distribution. Experimental evaluation of the metasurface is conducted within an MRI scanner, to verify the potentiality for enhancement in SNR of metasurfaces in real scenarios. The obtained results underscore the potential of the metasurface to substantially improve the quality of sodium MRI images, addressing one of the most prominent challenges in clinical applications. The activities were undertaken in collaboration with the Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS (Bremen, Germany), under the supervision of Prof. Matthias Günther, during a seven-month research appointment as a Visiting Research Scholar (1 March 2024 – 30 September 2024). Finally, the second part of Chapter 3 introduces a dual-tuned magnetic metasurface designed for enhancing field distribution in both ¹H and ²³Na MRI at 1.5T. This metasurface consists of an opportunely controlled array whose unit-cells include two concentric spiral coils, one for protons and the other for sodium Larmor frequencies. The preliminary results from numerical simulations and workbench testing demonstrate promising enhancements in transmission efficiency, with an increase by a factor of 3.5 for ²³Na at 17 MHz and of 5 for ¹H at 64 MHz. While preliminary, these results suggest the metasurface's potential for dual-nuclei MRI applications.


L’elettromagnetismo è un ramo fondamentale della fisica che descrive l’interazione e la propagazione dei campi elettrici e magnetici. Sebbene la comprensione di questi fenomeni abbia radici antiche, fu grazie al lavoro pionieristico di scienziati come James Clerk Maxwell, Michael Faraday e André-Marie Ampère che si posero le basi teoriche solide dell’elettromagnetismo. Le equazioni di Maxwell, formulate a metà del XIX secolo, unificarono elettricità e magnetismo in un unico quadro teorico, dimostrando il legame intrinseco tra campi elettrici e magnetici, che devono sempre coesistere. Secondo la teoria di Maxwell, i campi elettrici e magnetici sono interdipendenti; l’esistenza di un campo implica necessariamente la presenza dell’altro [1]. In altre parole, i due campi sono inseparabilmente accoppiati, come descritto dalle celebri equazioni che ne governano l’interazione.
Questa tesi affronta specificamente l’applicazione dei campi elettromagnetici nella gamma delle radiofrequenze (RF) e delle microonde (MW), con un focus sullo sviluppo e l’ottimizzazione di risonatori a spirale ad alto fattore di qualità (Q) da utilizzare come sensori elettromagnetici e celle unitarie di metasuperfici. Un aspetto centrale di questo lavoro è il riconoscimento che i risonatori a spirale, altamente sensibili alle variazioni delle proprietà dielettriche dei materiali vicini, possono funzionare non solo come sensori autonomi, ma anche come elementi costitutivi fondamentali delle metasuperfici. Sfruttando un noto modello analitico, questi risonatori, se integrati in array, possono essere controllati per manipolare la propagazione delle onde elettromagnetiche e le distribuzioni di corrente all’interno dell’array.
Inoltre, sia i risonatori a spirale che le metasuperfici condividono una base teorica comune, poiché il loro comportamento può essere modellato accuratamente mediante circuiti equivalenti RLC [2]. La resistenza, l’induttanza e la capacità di questi circuiti ne determinano le caratteristiche risonanti, mentre le prestazioni di tali strutture sono fortemente governate dal fattore di qualità (Q). Definito come il rapporto tra l’energia totale immagazzinata dal risonatore e l’energia persa per ciclo (Q = E⁄ΔE), il Q-factor determina l’acutezza della risonanza e, di conseguenza, l’efficienza dell’interazione energetica con l’ambiente elettromagnetico circostante. Ottimizzando il fattore Q, sia aumentando l’energia immagazzinata che riducendo quella persa, è possibile ottenere una maggiore sensibilità e una migliore efficienza di trasferimento energetico.
Questa tesi esplora tre aree chiave in cui queste tecnologie hanno dimostrato un notevole potenziale: sensori RF e MW per l’agricoltura di precisione (PA), trasferimento di potenza wireless risonante induttivo (WPT), e risonanza magnetica (MRI).
Nel dettaglio, il Capitolo 1 analizza lo sviluppo e l’applicazione di sensori a microonde e radiofrequenza per la rilevazione wireless della risposta delle piante allo stress idrico. Questa ricerca è condotta in collaborazione tra l’Università di Firenze, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agrarie, Alimentari, Ambientali e Forestali (DAGRI), e l’Università di Pisa, Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, sotto la supervisione della Prof.ssa Bindi e del Prof. Monorchio. Lo studio si concentra su due casi principali: mais (Zea mays L.) e olivo (Olea europaea), affrontando la necessità di un monitoraggio in tempo reale e non invasivo dello stato idrico delle piante in ambito di Agricoltura di Precisione. Il primo studio, condotto sul mais, utilizza un sensore a microonde per monitorare le variazioni delle componenti strutturali biologiche della pianta in risposta a diversi livelli di irrigazione, fornendo indicazioni per l’ottimizzazione dell’uso dell’acqua. L’output del sensore è correlato con cambiamenti morfo-fisiologici e istochimici nella struttura della pianta, offrendo un’analisi dettagliata della rilevazione precoce dello stress idrico nelle colture. Il secondo studio rappresenta un progresso significativo, applicando la stessa tecnologia ai piante di olivo. Questo passaggio è cruciale per l’indagine su una specie diversa, con particolare attenzione alla valutazione dello stress idrico in vari organi della pianta, come tronco e rami. La ricerca valuta quale organo risponda per primo allo stress idrico, offrendo nuove intuizioni sui processi fisiologici dell’olivo in condizioni di siccità. I risultati evidenziano le risposte distinte dei diversi organi, permettendo strategie di irrigazione più mirate e migliorando l’efficienza nell’uso delle risorse nelle colture arboree.
Il Capitolo 2 presenta due sviluppi chiave nella progettazione di metasuperfici magnetiche per il miglioramento dei sistemi di Wireless Power Transfer (WPT). La prima parte si concentra su metasuperfici magnetiche con filtraggio spaziale, progettate per affrontare le perdite di efficienza dovute a disallineamenti nei sistemi WPT risonanti induttivi. Controllando le correnti su una metasuperficie di dimensioni finite, la distribuzione del campo magnetico viene ottimizzata, evitando effetti di bordo. Simulazioni full-wave e risultati sperimentali confermano che questo approccio migliora la robustezza del sistema contro i disallineamenti, rendendolo ideale per applicazioni come elettronica di consumo e impianti biomedici. La seconda parte introduce metasuperfici conformabili arbitrariamente, che offrono flessibilità per ottenere comportamenti differenti. Vengono discussi due casi di test: (i) schermatura da esposizione a campi magnetici indesiderati, come nella regione retrostante una bobina RF, utile in ambiti automotive e biomedicali, e (ii) trasmissione di potenza focalizzata, per ridurre l’esposizione elettromagnetica e le perdite di campo. Entrambe le configurazioni sono validate tramite simulazioni numeriche ed esperimenti condotti a 13,56 MHz, dimostrando la fattibilità dei casi d’uso proposti.
Infine, il Capitolo 3 è dedicato alla Risonanza Magnetica (MRI). La prima parte si concentra sullo sviluppo di una metasuperficie progettata specificamente per migliorare l’imaging con MRI al sodio ²³Na a 3T. Il sodio è cruciale per il mantenimento della funzione cellulare e la regolazione dell’idratazione dei tessuti, rendendo la MRI al ²³Na uno strumento utile per misurare le concentrazioni di ioni sodio, che possono fornire indicazioni sulla vitalità cellulare, danni ai tessuti e condizioni come cancro o malattie neurodegenerative. Tuttavia, la debolezza intrinseca del segnale ²³Na rappresenta una sfida significativa per ottenere immagini di alta qualità. L’obiettivo principale di questo studio è migliorare il rapporto segnale-rumore (SNR) ottimizzando la distribuzione del campo magnetico. La valutazione sperimentale della metasuperficie è condotta all’interno di uno scanner MRI per verificare il potenziale miglioramento del SNR in scenari reali. I risultati ottenuti sottolineano il potenziale della metasuperficie nel migliorare significativamente la qualità delle immagini MRI al sodio, affrontando una delle sfide più rilevanti in ambito clinico. Le attività sono state condotte in collaborazione con il Fraunhofer Institute for Digital Medicine MEVIS (Brema, Germania), sotto la supervisione del Prof. Matthias Günther, durante un soggiorno di ricerca di sette mesi come Visiting Research Scholar (1 marzo 2024 – 30 settembre 2024). Infine, la seconda parte del Capitolo 3 introduce una metasuperficie magnetica a doppia risonanza, progettata per migliorare la distribuzione del campo sia in ¹H che in ²³Na MRI a 1.5T. Questa metasuperficie è costituita da un array controllato in cui ciascuna cella unitaria include due spire concentriche, una per la frequenza di Larmor dell’idrogeno e una per quella del sodio. I risultati preliminari di simulazioni numeriche e test in laboratorio mostrano miglioramenti promettenti nell’efficienza di trasmissione, con un incremento di 3,5 volte per il sodio a 17 MHz e di 5 volte per l’idrogeno a 64 MHz. Sebbene preliminari, questi risultati suggeriscono il potenziale della metasuperficie per applicazioni di MRI a doppio nucleo.