[논문 리뷰] An Electromagnetic GL Double Layered Cloak

Ganquan Xie, Jianhua Li외 2명|ArXiv.org|2009. 04. 21.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 외부 소스에 대한 완전한 투명성과 내부 전자기파의 완전 흡수를 동시에 구현하는 새로운 전자기 GL 双층 캐릭터를 제안한다. 유일한 글로벌-로컬(GL) 필드 모델링 방법을 사용하여, 외부 소스에 대한 완전한 투명성과 내부 전자기파의 완전 흡수를 달성함으로써 내부 필드 환경을 유지하면서 탐지 또는 침투를 방지하며, 수치 분산이 최소화된 상태에서 다양한 주파수 대역에서 뛰어난 성능을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 은폐 성능을 얻기 위해 투명성과 완전 흡수를 동시에 구현하는 이중층 전자기 캐릭터를 설계하기 위해.
• 단일 층 캐릭터의 한계, 즉 필드 교란과 완전한 파장 억제 불가능성 등의 문제를 해결하기 위해.
• 은폐 영역 내부에서 정상적인 전자기 조건을 유지하는 내구성 있는 캐릭터를 개발하기 위해.
• 글로벌-로컬(GL) 필드 방법을 적용하여 높은 정확도와 낮은 수치 분산으로 캐릭터 성능을 시뮬레이션하고 검증하기 위해.
• 디스퍼시브이고 이방성인 메타물질 및 복잡한 파장 산산이 현상을 모델링하는 데 있어 기존의 FEM/FD 방법에 비해 GL 방법의 우수성을 입증하기 위해.

제안 방법

• GL 이중층 캐릭터는 두 개의 동심 구형 애너귤러 층으로 구성되며, 각각 $ R_1 \leq r \leq R_2 $ (외층)과 $ R_2 \leq r \leq R_3 $ (내층)이며, 각각 다른 메타물질 특성을 지닌다.
• 외층은 외부 전자기 소스에 대해 투명하게 만들도록 설계되어 자유공간에서의 파장 전파를 모방한다.
• 내층은 내부 소스에서 발생하는 전자기파를 완전히 흡수하도록 설계되어 외부로의 복사나 탐지가 불가능하게 한다.
• GL 방법은 지역적 필드 상호작용을 반복적으로 업데이트하여 전역 필드를 계산함으로써 대규모 행렬 해법을 피한다.
• 이 방법은 메esh리스이며, 구형, 원통형, 직각좌표계 등의 혼합 기하 구조를 지원하여 복잡한 메타물질 구조의 탄력적 모델링이 가능하다.
• GL 접근법은 인위적 경계 조건과 PML 조건을 피함으로써 수치 분산을 감소시키고 광범위한 주파수 범위에서 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 전자기 캐릭터는 외부 투명성과 내부 파장 흡수를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 GL 필드 방법은 디스퍼시브이고 이방성인 메타물질을 통과하는 파장 산산이 현상을 모델링할 때 기존의 FEM 및 FD 방법에 비해 어떻게 뛰어나게 되는가?
• RQ3 GL 방법은 전자기파 시뮬레이션에서 수치 분산과 주파수 제한을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 내층 캐릭터는 내부 전자기 소스를 완전히 흡수하면서도 내부 필드 환경을 교란하지 않는가?
• RQ5 GL 방법은 최소한의 계산 비용과 높은 안정성으로 복잡한 3차원 캐릭터 기하 구조를 정확히 시뮬레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 소스가 있는 경우 GL 이중층 캐릭터는 캐릭터 외부에서 자유공간과 유사한 전자기파 전파를 유지하며 캐릭터에 의한 교란 없이 작동한다.
• 외부 전자기파는 내층과 은폐 영역으로 완전히 침투하지 못하며, 이는 캐릭터의 투명성 기능을 확인한다.
• 은폐 영역 내부의 소스에서 발생하는 내부 전자기파는 내층 캐릭터에 의해 완전히 흡수되며, 외부로의 복사가 전혀 발생하지 않는다.
• 캐릭터의 영향으로 인해 내부 전자기 필드는 교란되지 않으며, 은폐 영역 내부의 정상적인 전자기 환경이 유지된다.
• GL 방법은 64~128개 주파수에 대해 PC에서 10~50분 내로 빠르고 정확하며 안정적인 3차원 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• GL 방법은 FEM 및 FD에서 기인하는 수치 분산과 주파수 제한을 피하며, PML나 인위적 경계 조건이 필요 없어 시뮬레이션 정밀도를 크게 향상시킨다.