[論文レビュー] Controlling the Emission of Electromagnetic Sources by Coordinate transformation

Yu Luo, Jingjing Zhang+3 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 21, 2007

Antenna Design and Analysis参考文献 1被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、メタマテリアルコーティングを設計することで電磁界放射を制御するための座標変換手法を提案している。この手法により、源の周囲の空間を変換することで、任意の形に発射パターンを整形しつつ、源を外部観測者から検出不能にすることが可能となる。これにより、適合性のあるアーレンタennaおよびアクティブEMデバイスの設計に対する革新的なアプローチが示された。

ABSTRACT

The coordinate transformation on the space that contains electromagnetic sources is studied. We find that, not only the permittivity and permeability tensors of the media, but also the sources inside the media will take another form in order to behave equivalently as the original case. It is demonstrated that, a source of arbitrary shape and position in the free space can be replaced by an appropriately designed metamaterial coating with current distributed on the inner surface and would not be detected by outer observers, because the emission of the source can be controlled at will in this way. As examples, we show how to design conformal antennas by covering the sources with transformation media. The method proposed in this letter provides a completely new approach to develop novel active EM devices.

研究の動機と目的

• 座標変換を用いて任意の源からの電磁界放射を制御する手法を開発すること。
• 適切に設計されたメタマテリアルコーティングを通じて、外部観測者からの源の隠蔽を可能にすること。
• 変換媒体を用いて源の周囲の空間を変換することで、適合性のあるアーレンタennaを設計すること。
• カスタム放射パターンを有するアクティブ電磁デバイスを設計するための新しいフレームワークを提供すること。

提案手法

• 電磁界源を含む空間に対して座標変換を適用し、誘電率および透磁率テンソルが変更された等価媒体を導出すること。
• 座標写像による源分布の変化を反映する変換された源項を導出すること。
• 元の源の放射を変換空間内で模倣する表面電流を有するメタマテリアルコーティングを設計すること。
• 変換媒体を用いて放射パターンを再配分・形状化しつつ、源の等価性を維持すること。
• 有効なテンソル変換および材料パラメータを用いて、変換系が物理的に実現可能であることを保証すること。
• 解析的モデリングおよび適合性アーレンタennaの例題設計を用いて、手法の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 座標変換をどのように適用することで、電磁界源の放射パターンを制御できるか？
• RQ2 座標写像下での誘電率、透磁率、および源項の変換形は何か？
• RQ3 メタマテリアル工学を用いて源を外部観測者から検出不能にできるか？
• RQ4 変換媒体をどのように用いて、所望の放射パターンを持つ適合性アーレンタennaを設計できるか？
• RQ5 このような変換ベースのデバイスを実装するための物理的制約および設計ルールは何か？

主な発見

• メタマテリアルコーティングに表面電流を有する手法により、電磁界源が等価な構成に変換されたことが成功裏に実現された。
• 適切に設計された変換媒体および表面電流分布により、源を外部観測者から検出不能にできることを示した。
• 座標変換およびそれに続く材料パラメータを調整することで、任意の放射パターンを実現可能である。
• 変換媒体に源を埋め込むことで、適合性アーレンタennaの設計が可能であることを示した。
• 理論的枠組みは解析的解を用いて妥当性が検証され、例題のアーレンタenna構成で実証された。
• 結果として、媒質の性質および源項が座標写像下で一貫して変換されることを示した。これにより、電磁界等価性が保持された。