[论文解读] An Electromagnetic GL Double Layered Cloak

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

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种新颖的电磁GL双层隐身罩，由两个具有不同功能的球形环形层组成：外层实现隐身，内层实现全吸收。通过一种独特的全局-局部（GL）场建模方法，该隐身罩可实现对外部源的完全隐身，并完全吸收内部电磁波，同时保持内部场环境不变，防止探测或穿透，展现出在宽频带范围内性能稳定且数值色散极低的优异表现。

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.

研究动机与目标

• 设计一种双层电磁隐身罩，结合隐身与全吸收功能，以增强隐蔽性能。
• 克服单层隐身罩的局限性，如场扰动和波抑制不完全的问题。
• 开发一种鲁棒的隐身罩，确保被遮蔽区域内部维持正常的电磁条件。
• 应用全局-局部（GL）场方法，实现对隐身罩性能的高精度、低数值色散仿真与验证。
• 展示GL方法在建模色散性、各向异性超材料及复杂波散射方面，相较于传统FEM/FD方法的优越性。

提出的方法

• GL双层隐身罩由两个同心球形环形层构成：$ R_1 \leq r \leq R_2 $（外层）和 $ R_2 \leq r \leq R_3 $（内层），每层具有独特的超材料特性。
• 外层被设计为使隐身罩对来自外部的电磁波源完全隐形，模拟自由空间中的波传播。
• 内层被设计为完全吸收由内部源产生的电磁波，防止任何外部辐射或探测。
• GL方法通过迭代更新全局场，利用与子域的局部场相互作用来求解电磁波问题，避免求解大规模矩阵。
• 该方法无需网格划分，支持混合几何结构（球形、圆柱形、矩形），可灵活建模复杂超材料结构。
• GL方法避免使用人工边界和完美匹配层（PML）条件，减少数值色散，实现在宽频率范围内的高精度仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层电磁隐身罩能否同时实现对外部波的隐身与对内部波的全吸收？
• RQ2 GL场方法在模拟色散性、各向异性超材料中的波散射时，为何优于传统FEM和FD方法？
• RQ3 GL方法在电磁波仿真中，对数值色散和频率限制的降低程度如何？
• RQ4 内层隐身罩是否能完全吸收内部电磁源产生的波，而不扰动内部场环境？
• RQ5 GL方法能否在计算成本低、稳定性高的前提下，准确模拟具有复杂三维几何结构的隐身罩？

主要发现

• 当源位于外部时，GL双层隐身罩成功维持了外部自由空间般的电磁波传播，隐身罩未对波场造成任何扰动。
• 外部电磁波被完全阻止穿透至内层及被遮蔽区域，证实了隐身罩的隐身功能。
• 由被遮蔽区域内源产生的内部电磁波被内层隐身罩完全吸收，无任何辐射泄漏至外部。
• 内部电磁场未受隐身罩影响，被遮蔽区域内部的电磁环境保持正常。
• GL方法实现了电磁波通过隐身罩的快速、高精度、稳定三维仿真，仅需在普通PC上10–50分钟即可完成64–128个频率的仿真。
• GL方法避免了FEM和FD方法固有的数值色散与频率限制，无需PML或人工边界，显著提升了仿真保真度。