[論文レビュー] Electromagnetic-Power-based Characteristic Mode Theory for Perfect Electric Conductors

Ren-Zun Lian|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2016

Antenna Design and Analysis被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、完全導体（PEC）を対象とする電磁界エネルギーに基づく特徴モード理論（PEC-EMP-CMT）を提案する。伝統的な概念であるモードの重要度や入力インピーダンスを再定義するとともに、エネルギーに基づく特徴モード集合を導入する。非放射モードが外部環境や励起に依存しない非放射空間の基底をなすことを証明し、この枠組みの中で古典的固有モード理論を統合する。

ABSTRACT

In this paper, an ElectroMagnetic-Power-based Characteristic Mode Theory (CMT) for PEC systems (PEC-EMP-CMT) is built. The PEC-EMP-CMT is valid for the PEC systems which are surrounded by any electromagnetic environment, and it can construct the complex characteristic currents and non-radiative Characteristic Modes (CMs). In this paper, some traditional concepts, such as the system input impedance and modal input impedance etc., are redefined; the traditional characteristic quantity, Modal Significance (MS), is generalized; a series of new power-based CM sets are introduced. It is proven in this paper that various power-based CM sets of a certain objective PEC structure are independent of the external environment and excitation; the non-radiative space constituted by all non-radiative modes is identical to the interior resonance space constituted by all interior resonant modes of closed PEC structures, and the non-radiative CMs constitute a basis of the space. Based on above these, the normal Eigen-Mode Theory (EMT) for closed PEC structures is classified into the PEC-EMP-CMT framework. In addition, a variational formulation for the external scattering problem of PEC structures is provided in this paper, based on the conservation law of energy.

研究の動機と目的

• 完全導体（PEC）のための電磁界エネルギー原理に基づく新しい特徴モード理論の開発。
• エネルギーに基づく枠組み内で、システム入力インピーダンスやモードの重要度といった伝統的概念を再定義すること。
• 外部環境や励起に依存しないエネルギーに基づく特徴モード集合の確立。
• 非放射特徴モードが、閉じたPEC構造の内部共鳴空間に等価な非放射空間の基底をなすことを証明すること。
• 提案されたPEC-EMP-CMT枠組み内で、閉じたPEC構造の古典的固有モード理論を統合すること。

提案手法

• 電磁界エネルギー原理を用いて、システム入力インピーダンスおよびモード入力インピーダンスを再定義する。
• 従来のモード重要度（MS）指標をエネルギーに基づく形式に一般化する。
• エネルギー保存則と変分原理に基づいて導出された、新たなエネルギーに基づく特徴モード集合の導入。
• PEC構造の外部散乱問題に対して、エネルギー保存則を適用し、変分形式を導出する。
• エネルギーに基づく演算子の固有値分解を用いて特徴モードを抽出する。
• 非放射モードと閉じたPEC構造の内部共鳴空間との間の数学的枠組みを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PECの特徴モードを、従来の場の定式化に代えて電磁界エネルギーに基づいてどのように再定義できるか？
• RQ2 非放射特徴モードと閉じたPEC構造の内部共鳴空間との関係は何か？
• RQ3 エネルギーに基づく特徴モード集合は、外部電磁界環境や励起源に依存しないか？
• RQ4 提案されたPEC-EMP-CMTは、閉じたPEC構造の古典的固有モード理論をどのように統合するか？
• RQ5 PEC構造の外部散乱問題に対して、エネルギー保存則に基づく変分形式を導出できるか？

主な発見

• 非放射特徴モードは、閉じたPEC構造の内部共鳴空間に等価な非放射空間の基底をなす。
• エネルギーに基づく特徴モード集合は、外部電磁界環境や励起源に依存しない。
• 一般化されたモード重要度指標は、すべてのエネルギーに基づくモード集合で一貫している。
• 提案されたPEC-EMP-CMT枠組みは、閉じたPEC構造の古典的固有モード理論を特別な場合として適切に統合している。
• 電磁界エネルギーの保存則に基づいて、PEC構造の外部散乱問題に対する変分形式が導出された。
• 理論により、非放射モードと閉じたPEC系における共鳴モードとの間の厳密な数学的リンクが確立された。