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Stable GSTC Formulation for Maxwell’s Equations

Authors :
Nicolas Lebbe
Kim Pham
Agnes Maurel
Université Côte d'Azur (UCA)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Modélisation et méthodes numériques pour le calcul d'interactions onde-matière nanostructurée (ATLANTIS)
Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (JAD)
Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles (IMSIA - UMR 9219)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA Paris)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay-EDF R&D (EDF R&D)
EDF (EDF)-EDF (EDF)
Institut Langevin - Ondes et Images (UMR7587) (IL)
Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)
Nicolas Lebbe acknowledge support from French defence procurement agency under the ANR ASTRID Maturation program, grant agreement number ANR-18-ASMA-0006-01. Kim Pham acknowledges support from the Agence de l’Innovation de Défense (AID) from the Direction Générale de l’Armement (DGA), under grant n° 2019 65 0070 and the Agence Nationale de la Recherche under grant ANR-19-CE08-0006.
ANR-18-ASMA-0006,OPERA,Optique planaire adaptative(2018)
ANR-19-CE08-0006,METARESO,Propagation d'ondes dans des Métamatériaux Résonants(2019)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (LJAD)
Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)-Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA Paris)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-EDF R&D (EDF R&D)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 70:6825-6840
Publication Year :
2022
Publisher :
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2022.

Abstract

We revisit the classical zero-thickness Generalized Sheet Transition Conditions (GSTCs) which are a key tool for efficiently designing metafilms able to control the flow of light in a desired way. It is shown that it is more convenient to use an enlarged formulation of the GSTC in which the original metafilm is replaced by GSTCs that exclude the layer from the physical or computational domain. These new "layer" transition conditions have the same form as their "sheet" analogues hence they do not necessitate additional complications in their use; their advantage is that they provide a well-posed problem hence guaranty the stability of numerical schemes in the timedomain. These assessments are demonstrated for an all-dielectric structure; the effective susceptibility tensors are derived thanks to asymptotic analysis combined with homogenization technique and bounds for the susceptibilities entering the balance of energy are provided. While negative constant susceptibilities appear in the classical zero-thickness GSTCs, their values in the enlarged formulation are always positive which ensure the stability of the effective problem. Validation of the effective model is provided by means of comparison with direct numerics in two and three dimensions.

Details

ISSN :
15582221 and 0018926X
Volume :
70
Database :
OpenAIRE
Journal :
IEEE Transactions on Antennas and Propagation
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4b74125579ba294f4f0a13af3cf5c022
Full Text :
https://doi.org/10.1109/tap.2022.3161436