ETD

• metasuperfici

L’imaging a microonde rappresenta una tecnica diagnostica non ionizzante basata sul contrasto tra le proprietà dielettriche dei differenti tessuti biologici ed è altamente sfruttata, in ambito biomedicale, in diverse applicazioni, tra cui l’imaging cerebrale e la diagnosi del carcinoma mammario. Una delle criticità dei sistemi di questo tipo è tuttavia costituita dal marcato disadattamento d’impedenza tra aria e tessuto, che determina la riflessione di una parte dell’energia incidente e limita la penetrazione del campo elettromagnetico nel mezzo biologico. Il presente studio analizza pertanto l’impiego di metasuperfici come alternativa ai tradizionali mezzi di accoppiamento volumetrici, con l’obiettivo di migliorare il trasferimento dell’energia elettromagnetica verso i tessuti biologici alle frequenze operative di 2.45 GHz e 5.8 GHz, appartenenti alle bande ISM. Il sistema antenna–metasuperficie tessuto è stato inizialmente descritto mediante un modello equivalente a linee di trasmissione, considerando un phantom multistrato costituito da pelle, tessuto adiposo e muscolo. A partire dai coefficienti di riflessione ottenuti mediante simulazioni elettromagnetiche, sono state determinate le impedenze equivalenti del sistema e la risposta reattiva richiesta alla metasuperficie alle frequenze di interesse. Successivamente, differenti geometrie di superfici selettive in frequenza, o FSS, sono state progettate e caratterizzate attraverso simulazioni full-wave utilizzando il software Feko (Siemens), che impiega il Metodo dei Momenti. Tra le configurazioni analizzate, la soluzione costituita da due metasuperfici a Croce di Gerusalemme ha mostrato il comportamento più favorevole in entrambe le regioni frequenziali. Le simulazioni hanno evidenziato due minimi del coefficiente di riflessione, pari a circa −31.5 dB a 2.25 GHz e −18.6 dB a 5.6 GHz, all’interno delle bande di riferimento. La configurazione selezionata è stata infine realizzata e sottoposta a caratterizzazione sperimentale mediante due antenne Horn, un analizzatore di reti vettoriale e un phantom semplificato costituito da sola acqua distillata, capace di replicare le proprietà del mezzo biologico grazie alla sua elevata costante dielettrica relativa. Le misure del parametro di trasmissione S12, effettuate in condizioni di incidenza normale e obliqua, hanno dimostrato l’efficacia del sistema costituito da metasuperfici nella riduzione della riflessione all’interfaccia con il tessuto biologico. Una variante della configurazione in incidenza obliqua, priva del secondo substrato in FR4, ha fornito il comportamento complessivamente più favorevole in entrambe le bande considerate. I risultati mostrano la possibilità di modificare l’accoppiamento elettromagnetico mediante una doppia FSS, pur rendendo necessarie ulteriori misure dirette del campo all’interno del phantom per poter quantificare l’effettivo incremento dell’energia trasferita nel mezzo biologico.