Applied Electromagnetics and Electronic Devices

Ricerca a basso TRL ed applicata in collaborazione con università, partner industriali e agenzie per promuovere il progresso tecnologico nelle tecnologie elettroniche, elettromagnetiche e ottiche in diversi domini, dalle applicazioni spaziali ai sensori industriali.

Tecnologie a Microonde, Onde Millimteriche e ai Sub-Terahertz

Le competenze di CNR-IEIIT nel campo delle tecnologie a microonde, onde millimetriche e sub-terahertz include la modellazione, la progettazione elettromagnetica/meccanica, la realizzazione e la caratterizzazione sperimentale di antenne e dispositivi/sistemi passivi operanti da pochi Megahertz a centinaia di Gigahertz per diversi domini applicativi, tra cui SatCom, osservazione della Terra, scienze dello Spazio e sensing industriale. In questi ambiti, sono stati sviluppati strumenti di modellazione elettromagnetica ad-hoc basati su formulazioni differenziali e integrali per la progettazione efficiente e accurata di antenne e componenti in guida d'onda ad alte prestazioni. Il design elettromagnetico e meccanico è orientato a soddisfare le prestazioni RF richieste nelle applicazioni, ottenendo nel contempo un’architettura meccanica robusta che sia adattata alla tecnologia manifatturiera (sia lavorazioni standard che processi di produzione additiva). Il know-how acquisito nel campo delle tecniche di calibrazione e misura è applicato all'accurata caratterizzazione elettromagnetica di DUT complessi (es. Sistemi multi-banda, multi-porta e multi-mode) e alle misurazioni in loco del diagramma di radiazione di grandi schiere di antenne tramite UAV.

Riferimenti bibliografici:

  • F. Paonessa et al., “Design and Verification of a Q-Band Test-Source for UAV-Based Radiation Pattern Measurements”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (2020).
  • G. Addamo et al., “3D Printing of High-Performance Feed Horns from Ku to V Bands”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters (2018), DOI: 10.1109/LAWP.2018.2859828 
  • G. Virone, et al., “Strong Mutual Coupling Effects on LOFAR: Modeling and In Situ Validation”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation (2018), DOI: 10.1109/TAP.2018.2816651
  • O. A. Peverini et al., “Selective Laser Melting Manufacturing of Microwave Waveguide Devices”, Proceedings of the IEEE (2017), DOI: 10.1109/JPROC.2016.2620148

Laboratori: Microwaves and Millimeter-Waves

InfrastruttureSub-Terahertz Design and Testing

Progetti: STUNT | CHILLI | CIMR B2/C/D | MetOp-SG MWI | PAckMan | SKA | CIMRGSTP-AM |  MOPRAM | AMLETO

Vertical Cavity Surface Emitting Lasers: comprehensive multiphysics models

I Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) sono una tecnologia pervasiva ed abilitante nell’attuale mondo IIT. Questi laser di dimensioni micrometriche (vedi schema in figura, alto-sinistra) sono usati a centinaia come sensori (prossimità e distanza) negli attuali iphones e presto popoleranno i PC, come sostituti delle interconnessioni elettriche intra e inter-board.  Le competenze CNR-IEIIT nel campo dei VCSELs datano a più di venti anni fa, essendo l’Istituto pioniere nel fornire la tecnica che tuttora viene usata per mantenere fissa la polarizzazione di questi laser. Tale leadership è riconosciuta ovunque ed attrae l’attenzione di vari istituti ed industrie del settore, interessate a collaborare con CNR-IEIIT. Il lavoro simulativo è sfociato nel modello multifisico del pacchetto software VENUS. Questo integra e fa interagire gli aspetti elettrici, ottici, termici e di guadagno, necessari per una corretta simulazione dei VCSELs (vedi figura, alto-destra). Il software è interamente sviluppato da CNR-IEIIT. A partire da una descrizione dettagliata dei centinaia di strati e dettagli della struttura, VENUS predice le prestazioni di dispositivi allo stato dell’arte [1], con ottimi confronti con le misure (vedi figura in basso): tensione corrente, corrente-potenza ottica, corrente-lunghezza d’onda, corrente-resistenza.
Alte attività in corso: tunnel-junction 850nm VCSEL [2], liquid-crystal VCSELs tunabili per tomografia ottica e Wavelengh Division Multiplexing [3], superamento degli attuali limiti di velocità di modulazione, tramite modulazione della polarizzazione [4].

  • [1] P. Debernardi et al., “Probing Thermal Effects in VCSELs by Experiment-Driven Multiphysics Modeling”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2019, 25(6), 2927580.
  • [2] A. Tibaldi, P. Debernardi et al. “Analysis of carrier transport in tunnel-junction vertical-cavity surface-emitting lasers by a coupled nonequilibrium green's Function-Drift-Diffusion Approach”, Physical Review Applied, 2020, 14(2), 024037
  • [3] B. Boisnard, M. Alouini, P. Debernardi, et al., ”CW Operation of a Tunable 1550-nm VCSEL Integrating Liquid-Crystal Microcells”, Photonics Technology Letters, 2020, 32(7), pp. 391-394.
  • [4] T. Pusch, P.Debernardi et al. “Vertical-cavity surface-emitting laser with integrated surface grating for high birefringence splitting” Electronics Letters, 2019, 55(19), pp. 1055-1057.

 

Elettronica e Microelettronica

Le competenze si inseriscono nell’area tematica degli Smart sensors e riguardano la progettazione, fabbricazione e caratterizzazione sperimentale di micro-nanosensori/MEMS integrati sullo stesso chip con l'interfaccia elettronica necessaria per l'acquisizione e l'elaborazione del segnale. La micro-nano-strutturazione del silicio (silicio poroso) e l'impiego di nuovi materiali (es. polimeri), unite alle tecnologie microelettroniche standard sono elementi chiave per lo sviluppo di una nuova classe di dispositivi caratterizzati da performance elevate e facile integrazione (sia hardware che software) con componenti microelettronici consolidati. Ulteriori competenze riguardano la progettazione, realizzazione e caratterizzazione di circuiti attivi per microonde (es. amplificatori) e di convertitori elettronici di potenza in grado di alimentare apparati, pilotare attuatori ed energizzare sistemi elettronici intelligenti per una efficace interazione con l’ambiente esterno.

Laboratori: Electronics and Micro-electronics

Infrastrutture: Electronic Design and Measurements

 

Passive Remote Sensing

The expertise embraces the broad area of passive remote sensing, including Earth observation, atmospheric sounding and imaging, and electromagnetic modelling of thermal emission. Remote sensing by passive sensors is explored making reference to different platforms (e.g., satellite, airborne, UAV, ground-based) and different sensor technologies, ranging from multi/hyperspectral sensors to microwave radiometers.
Within the hyperspectral imaging arena, advanced signal and image processing methodologies are developed to address different Earth observation challenges such as image segmentation, land-cover classification, spectral anomaly and material detection and target recognition.
The main advantages of microwave radiometry with respect to other techniques are the different sensitivity to the water content in both liquid and gaseous phase, the almost all-weather availability, and the relative low noise in the measurements.
Ground-based radiometers are used to investigate the sky thermal emissions to retrieve geophysical observables such as the total amount of water vapor (PWV), the non-precipitating cloud liquid content (LWC) and the zenith wet delay (ZWD). These atmospheric parameters are useful in several fields such as global and climate change, radio astronomy study, and space geodesy.

References:

  • Matteoli, S., Diani, M., Corsini, G., Closed-Form Nonparametric GLRT Detector for Subpixel Targets in Hyperspectral Images, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 56 (2), art. no. 8804215, pp. 1568-1581, 2019.
  • Theiler, J., Ziemann, A., Matteoli, S., Diani, M., Spectral variability of remotely sensed target materials: Causes, models, and strategies for mitigation and robust exploitation, IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazine, 7 (2), pp. 8-30, 2019.
  • Bosisio, AV; Macelloni G.; Brogioni M., Evaluation of the Atmospheric Upward Thermal Emission Towards SSS Retrieval at L Band, in Earth observation advancements in a changing world (editors: Gherardo Chirici and Marco Gianinetto) AIT Series Trends in Earth Observation - Volume 1
  • Bosisio, AV; Graziani, A; Mattioli, V; Tortora, P. , On the Use of Microwave Radiometers for Deep Space Mission Applications by Means of a Radiometric-Based Scalar Indicator, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,8(7), pp.4336-4344, 2015.

 

Propagazione Radio

Lo studio della propagazione delle onde elettromagnetiche è un aspetto fondante di ogni sistema di telecomunicazioni radio. Le competenze IEIIT in quest’area includono i seguenti aspetti:

  • Modelli di canale per sistemi terra-spazio
  • Simulazione e modelli del canale di propagazione terrestre per applicazioni fisse e mobili
  • Tecniche di mitigazione degli effetti atmosferici per sistemi satellitari avanzati operanti nelle bande Ka-, Q/V-, W- e ottica

Queste attività sono condotte nell’ambito di progetti scientifici finanziati da ASI, ESA o di reti di ricerca Europee (SATNEX, COST).

Progetti: MOPRAM