تحلیل، مدل‌سازی و استخراج پارامترهای فراسطوح استوانه‌ای الکترومغناطیسی جهت نامرئی‌سازی اجسام

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکترا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، بابل، ایران

چکیده

هدف اصلی این مقاله، استفاده از فراسطوح برای نامرئی سازی اجسام است. برای رسیدن به این هدف، روشی برای تحلیل فراسطوح استوانه‌ای ارائه شده است. بدین صورت که  با الهام‌گرفتن از نحوه مدل‌کردن فراسطوح صفحه‌ای، روشی مبتنی بر مشخصه‌گذاری فیزیکی فراسطوح استوانه‌ای در راستای مدل‌سازی و استخراج پارامترهای تنسوری آن‌ها بیان می‌شود. روش‌های ارائه شده این مقاله برای تحلیل، مدل‌سازی و استخراج پارامترهای فراسطوح استوانه‌ای، برای هر نوع دلخواه از فراسطوح خطی در بازه فرکانسی وسیعی متشکل از امواج رادیویی و مایکروویو تا امواج نوری قابل پیاده‌سازی هستند. در گام بعدی، فرمولاسیون ارائه شده برای کاهش میزان پراکندگی امواج الکترومغناطیسی از اجسام یا به اصطلاح نامرئی کردن آن‌ها استفاده شده است. روش ارائه شده برای نامرئی‌سازی این امکان را فراهم می‌سازد تا بتوان با توجه به محدودیت‌های پیاده‌سازی عملی، پیکربندی‌های متفاوتی از فراسطوح را برای تحقق هر نوع نامرئی‌سازی ارائه نمود. به‌علاوه، فرمولاسیون مذکور در فراهم‌کردن درک و توصیف فیزیکی نامرئی‌سازی تأثیر به سزایی دارد. برای راستی‌آزمایی نتایج، فرمولاسیون این مقاله به یک نمونه فراسطح طراحی شده اعمال گردید. نهایتاً، به کمک شبیه‌سازی‌های تمام‌موج، پارامترهای تنسوری فراسطح استخراج شده و نامرئی‌سازی مورد نظر تحقق یافته است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modeling, analysis, and extraction of Metasurface parameters of electromagnetic cylinders for invisibility of objects

نویسندگان [English]

  • mehdi zarepour 1
  • masoud hoseinzadeh 2
1 Ph.D., Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 PhD student, Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]

The main purpose of this article is to use metasurfaces to make objects invisible. The process is that, after examining how to analyze the electromagnetic plan metasurface of the plate, a method for the analysis of cylindrical metasurfaces is presented. Then, inspired by the modeling of plan metasurfaces, a method based on the physical characterization of cylindrical metasurfaces in order to model and extract their tensor parameters is expressed. The methods presented in this paper for analyzing, modeling and extracting the parameters of cylindrical metasurfaces can be implemented for any desired type of linear metasurfaces in a wide frequency range consisting of radio and microwave waves to light waves. In the next step, the proposed formulation is used to reduce the scattering of electromagnetic waves from objects or so-called invisibility. The proposed method for invisibility makes it possible to provide different configurations of metasurfaces to achieve any type of invisibility according to the limitations of practical implementation. In addition, the formulation is effective in providing a physical understanding and description of invisibility. To test the results, the formulation of this paper was applied to a designed metasurface sample. Finally, with the help of full-wave simulations, the metasurface tensor parameters are extracted and the desired invisibility is realized.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metasourface
  • tensor
  • invisibility

Smiley face

مراجع

  1. [1] F. Kuester, M. A. Mohamed, M. Piket-May, and C. L. Holloway, “Averaged transition conditions for electromagnetic fields at a metafilm,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 51, no. 10, 2003. DOI: 10.1109/TAP.2003.817560.
  2. [2] Li, S. Singh, and D. Sievenpiper, “Metasurfaces and their applications,” Nanophotonics, vol. 7, no. 6, pp. 989-1011, 2018. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0120.
  3. [3] L. Holloway, E. F. Kuester, J. A. Gordon, J. O’Hara, J. Booth, and D. R. Smith, “An overview of the theory and applications of metasurfaces: the two-dimensional equivalents of metamaterials,” IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 54, no. 2, pp. 10-35, 2012. DOI: 10.1109/MAP.2012.6230714.
  4. [4] S. Asadchy, A. Díaz-Rubio, and S. A. Tretyakov, “Bianisotropic metasurfaces: physics and applications,” Nanophotonics, vol. 7, no. 6, pp. 1069-1094, 2018. https://doi.org/10.1515/nanoph-2017-0132.
  5. [5] Malekzadeh, M. Rezayatfam. "New broadband absorber, lightweight with a thickness of 1.4 mm to reduce the radar cross section of objects", Applied Electromagnetics, 2019. (In Persian). https://sid.ir/ paper/ 526111/fa
  6. [6] R. Simovski, Composite Media with Weak Spatial Dispersion, Pan Satanford Publishing, 2018.
  7. [7] Harrington, Time-Harmonic Electromagnetic Fields, Wiley-IEEE Press, 2001.
  8. [8] Selvanayagam and G. V. Eleftheriades, “Discontinuous electromagnetic field using orthogonal electric and magnetic currents for wavefront manipulation,” Optics Express, vol. 21, no. 12, pp. 14409-14429, 2013. https://doi.org/10.1364/ OE.21.014409.
  9. [9] C. Jiang et al., “Controlling the polarization state of light with a dispersion-free metastructure,” Physical Review X, vol. 4, pp. 021026, 2014. https://doi.org /10.1103/ PhysRevX.4.021026.
  10. Veysi, C. Guclu, and F. Capolino, “Vortex beams with strong longitudinally polarized magnetic field and their generation by using metasurfaces,” Journal of the Optical Society of America B, vol. 32, no. 345, pp. 345-354, 2015. https://doi.org/10.1364/JOSAB.32.000345.
  11. Orazbayev, N. Mohammadi Estakhri, A. Alù, and M. Beruete, “Experimental demonstration of metasurface‐based ultrathin carpet cloaks for millimeter waves,” Advanced Optical Materials, vol. 5, no. 1, pp. 1600606, 2017. https://doi.org/10.1002/adom.201600606.
  12. H. Dorrah, M. Chen, and G. V. Eleftheriades, “Bianisotropic Huygens’ metasurface for wideband impedance matching between two dielectric media,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 66, no. 9, pp. 4729-4742, 2018. DOI: 10.1109/ TAP. 2018.2851361.
  13. Wang et al., “Metantenna: when metasurface meets antenna again,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 3, pp. 1332-1347, 2020. DOI: 10.1109/TAP.2020.2969246.
  14. Ma, M. S. Mirmoosa, and S. A. Tretyakov, “Parallel-plate waveguides formed by penetrable metasurfaces,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 3, pp. 1773-1785, 2020. DOI: 10.1109/ TAP.2019.2934580.
  15. M. Idemen, Discontinuities in the Electromagnetic Field, John Wiley & Sons, 2011.
  16. J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics, 4th Edition, Pearson, 2013.
  17. L. Holloway, M. A. Mohamed, E. F. Kuester, and A. Dienstfrey, “Reflection and transmission properties of a metafilm: with an application to a controllable surface composed of resonant particles,” IEEE Transactions on Electromagnetic Compability, vol. 47, no. 4, 2005. DOI: 10.1109/TEMC.2005.853719.
  18. Achouri, M. A. Salem and C. Caloz, “General metasurface synthesis based on susceptibility tensors,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 7, pp. 2977-2991, 2015. DOI: 10.1109/ TAP.2015.2423700.
  19. Albooyeh, S. Tretyakov and C. Simovski, “Electromagnetic characterization of bianisotropic metasurfaces on refractive substrates: General theoretical framework,” Annalen der Physik, vol. 528, no. 9-10, pp. 721-737, 2016. https://doi.org/10.1002/ andp.201600015.
  20. Zaluški, A. Grbic, and S. Hrabar, “Analytical and experimental characterization of metasurfaces with normal polarizability,” Physical Review B, vol. 93, pp. 155156, 2016. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93. 155156.
  21. Epstein and G. V. Eleftheriades, “Synthesis of passive lossless metasurfaces using auxiliary fields for reflectionless beam splitting and perfect reflection,” Physical Review Letters, vol. 117, pp. 256103, 2016. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.256103
  22. H. Jiang and D. H. Werner, “Exploiting metasurface anisotropy for achieving near-perfect low-profile cloaks beyond the quasi-static limit,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 46, pp. 505306, 2013. DOI 10.1088/0022-3727/46/50/505306
  23. A. Balanis, Advanced Engineering Electromagnetics, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 2012.
  24. G. Dudley, Mathematical Foundations for Electromagnetic Theory, John Wiley & Sons, 1994.
  25. F. Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles, John Wiley & Sons, 1983.
  26. -H. Kwon, “Lossless tensor surface electromagnetic cloaking for large objects in free space,” Physical Review B, vol. 98, pp. 125137, 2018. https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.98.125137
  27. Safari, H. Kazemi, A. Abdolali, M. Albooyeh, and F. Capolino, “Illusion mechanisms with cylindrical metasurfaces: A general synthesis approach,” Physical Review B, vol. 100, pp. 165418, 2019. https://doi.org/ 10.1103/PhysRevB.100.165418
  28. -H. Kwon, “Illusion electromagnetics for free-standing objects using passive lossless metasurfaces,” Physical Review B, vol. 101, Art. no. 235135, 2020. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.235135
الکترومغناطیس کاربردی
دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 27
شماره پیاپی 27، پاییز و زمستان
مهر 1402
صفحه 43-53

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 11 اردیبهشت 1402
  • تاریخ بازنگری: 30 شهریور 1402
  • تاریخ پذیرش: 06 مهر 1402
  • تاریخ انتشار: 16 آبان 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار