[论文解读] 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 35

一句话总结

本文提出一种坐标变换方法，通过设计超材料涂层来控制电磁辐射，实现对源的隐藏并调控辐射方向图。通过变换源周围的空域，该方法可实现对辐射的任意整形，同时使源对外部观察者不可见，展示了设计共形天线和有源电磁器件的创新方法。

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.

研究动机与目标

• 开发一种利用坐标变换控制任意源电磁辐射的的方法。
• 通过定制化的超材料涂层，使电磁源对外部观察者实现隐藏。
• 通过变换介质对源周围空间进行变换，实现共形天线的设计。
• 为设计具有定制辐射方向图的有源电磁器件提供新框架。

提出的方法

• 对包含电磁源的空域应用坐标变换，推导出具有修改后介电张量和磁导率张量的等效介质。
• 推导出在坐标映射下源分布变化所对应的变换后源项。
• 设计具有表面电流的超材料涂层，以在变换空间中模拟原始源的辐射特性。
• 利用变换介质在保持源等效性的前提下，重新定向并整形辐射方向图。
• 通过有效的张量变换和材料参数，确保变换后系统在物理上可实现。
• 通过解析建模和共形天线的实例设计验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将坐标变换应用于控制电磁源的辐射方向图？
• RQ2 在坐标映射下，介电常数、磁导率和源项的变换形式是什么？
• RQ3 能否通过超材料工程使源对观测者不可见？
• RQ4 如何利用变换介质设计具有定制辐射方向图的共形天线？
• RQ5 此类基于变换的器件在物理实现上存在哪些约束和设计规则？

主要发现

• 该方法成功利用具有表面电流的超材料涂层，将电磁源转换为等效配置。
• 通过合理设计变换介质和表面电流分布，可使源对观测者不可见。
• 通过调节坐标变换和相应的材料参数，可实现任意辐射方向图。
• 该方法通过在变换介质中嵌入源，实现了共形天线的设计。
• 理论框架通过解析解得到验证，并在典型天线结构上得到演示。
• 结果表明，在坐标映射下，介质特性与源项均被一致地变换，保持了电磁等效性。