[論文レビュー] An Electromagnetic GL Double Layered Cloak

Ganquan Xie, Jianhua Li+2 more|ArXiv.org|Apr 21, 2009

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、外部の電磁源に対して完全に見えにくくし、内部の電磁波を完全に吸収する二重機能を有する、二重球殻型の新規な電磁GL二重層クローキを提案する。独自のグローバル・ローカル（GL）場モデリング法を用いることで、外部源に対して完全な見えなさを達成するとともに、内部の電磁波を完全に吸収し、内部の場環境を保ちながら検出や浸透を防止する。周波数帯域においても優れた性能を示し、数値分散が最小限に抑えられる。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new electromagnetic (EM) GL double layered cloak. The GL double layered cloak is consist of two sphere annular layers, $R_1 \le r \le R_2$ and $R_2 \le r \le R_3$. Two type cloak materials are proposed and installed in the each layer, respectively. The outer layer cloak of the GL double layered cloak has the invisible function, the inner layer cloak has fully absorption function. The GL double layered metamaterials are weak degenerative and weak dispersive. When the source is located outside of the GL double layered cloak, the excited EM wave field propagation outside of the double layered cloak is as same as in free space and never be disturbed by the cloak; also, the exterior EM wave can not penetrate into the inner layer and concealment. When local sources are located inside of the GL double cloaked concealment with the normal EM materials, the excited EM wave is propagating under Maxwell equation governing, it is complete absorbed by the inner layer cloak of GL double cloak and never propagate to outside of the inner layer of the GL cloak, moreover, the EM wavefield in concealment never be disturbed by the cloak. The GL doubled layered cloak is a robust cloak and has complete and sufficient invisibility functions. Its concealment is the normal electromagnetic environment. Our EM GL double layered cloak is different from conventional common cloak. The 3D GL EM modeling simulations for the double layered cloak are presented. The GL method is an effective physical simulation method and is fully different from the conventional methods. It has double abilities of the theoretical analysis and numerical simulations to study the cloak metamaterials and wide materials and field scattering problem in physical sciences.

研究の動機と目的

• 外部からの干渉を防ぎ、強化された隠蔽を実現する二重層電磁クローキの設計を目的とする。
• 単層クローキの限界、例えば場の乱れや波の不完全な抑制を克服することを目的とする。
• 遮蔽領域内での電磁場を通常の状態に保つ、頑健なクローキの開発を目的とする。
• グローバル・ローカル（GL）場手法を用いて、高い精度と低い数値分散でクローキの性能をシミュレート・検証することを目的とする。
• 分散的・異方的メタマテリアルおよび複雑な波の散乱をモデル化する際、従来のFEM/FD手法に比べてGL手法が優れていることを実証することを目的とする。

提案手法

• GL二重層クローキは、二つの同心円状の球殻層から構成される：外層は $ R_1 \leq r \leq R_2 $、内層は $ R_2 \leq r \leq R_3 $ であり、それぞれ異なるメタマテリアル特性を有する。
• 外層は、外部電磁源に対してクローキが見えなくなるように設計され、自由空間における波の伝播を模倣する。
• 内層は、内部源から発生する電磁波を完全に吸収するように設計され、外部への放射や検出を防ぐ。
• GL手法は、局所的なサブドメインとの相互作用に基づいてグローバル場を繰り返し更新することで、EM波の問題を解き、大規模な行列計算を回避する。
• 手法はメッシュレスであり、球形、円筒形、長方形などの混合幾何形状をサポートし、複雑なメタマテリアル構造の柔軟なモデリングを可能にする。
• GLアプローチは人工境界やPML条件を不要とし、数値分散を低減させ、広帯域の周波数範囲で高精度なシミュレーションを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重層電磁クローキは、同時に外部の見えなさと内部の波の吸収を達成できるか？
• RQ2 GL場手法は、分散的・異方的メタマテリアルを通過する波の散乱をシミュレートする際、従来のFEMおよびFD手法に比べてどのように優れているか？
• RQ3 GL手法は、EM波シミュレーションにおける数値分散と周波数制限をどの程度低減できるか？
• RQ4 内層クローキは、内部の電磁源を完全に吸収し、内部の場環境を擾乱しないか？
• RQ5 GL手法は、最小限の計算コストと高い安定性で、複雑な3次元クローキ幾何形状を高精度にシミュレートできるか？

主な発見

• 外部源からの電磁波がクローキ外部で自由空間と同様の伝播を維持され、クローキによる場の乱れが一切ないことが確認された。
• 外部電磁波が内層および遮蔽領域に浸透することなく完全に遮断され、クローキの非可視性の機能が裏付けられた。
• 遮蔽領域内に存在する内部源から発生する電磁波は、内層クローキによって完全に吸収され、外部への放射は一切発生しなかった。
• クローキの影響を受けず、内部の電磁場は変化せず、遮蔽領域内に通常の電磁環境が維持された。
• GL手法により、3次元的なEM波の伝播シミュレーションが高速かつ高精度かつ安定して実行可能であり、PC上で64～128周波数について10～50分の計算時間で実現した。
• GL手法はFEMおよびFDに内在する数値分散や周波数制限を回避し、PMLや人工境界を必要とせず、シミュレーションの忠実性を著しく向上させた。