Abstract:In this paper, we study the electromagnetic scattering of a plane wave by a prolate or oblate dielectric spheroid, which can be lossless or lossy. The presented efficient solution is obtained by applying a perturbation technique to the problem of the sphere using the spherical eigenvectors. This method allows a closed-form solution for the fields and the scattering cross sections, which is valid for small eccentricities of the spheroid. Alternatively, we construct the exact solution of the problem using the se… Show more
“…T HE electromagnetic scattering by composite objects is useful in many applications, like radar engineering for the calculation of the scattering patterns due to dielectric coated metallic objects [1], [2], for the design of microwave dielectric resonators, used as microwave filters or for permittivity measurements [3], in spherical/spheroidal microstrip structures where a spherical or spheroidal dielectric substrate covers a metallic spherical or spheroidal core [4], for improving electromagnetic scattering techniques used to explain the operation of high-frequency components [5]- [8], or in the future validation of other numerical methods. Moreover, spheroidal-spherical configurations can be also used for approximating other less tractable 3-D particles.…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%
“…The concept of the equiphase sphere was used by Chen et al in [24] to study dielectric spheroidal particles. Finally, Zouros et al in [8] applied a shape perturbation method on spherical eigenvectors to study prolate or oblate dielectric spheroids. Apart from the simple metallic or homogeneous dielectric structures, composite configurations were also studied.…”
The electromagnetic scattering of a plane wave by composite spheroidal-spherical and spherical-spheroidal configurations is studied in this work. The spheroidal-spherical configuration consists of a spheroidal dielectric shell coating a spherical metallic core, while the spherical-spheroidal configuration consists of a spherical dielectric shell coating a spheroidal metallic core. Initially, the formal series solution is constructed by using analytical expansions connecting the spheroidal with the spherical eigenvectors. The solution of the problem is then obtained following two independent paths: first, asymptotic expansions are applied on all related quantities leading to a solution for the fields and the scattering cross sections, which is given by closed-form expressions, and is valid for small eccentricities of the spheroid. Second, the formal full-wave series solution is solved numerically by truncation. Both the full-wave and the closed-form solutions are validated by numerous comparisons with numerical simulations. The accuracy of the closed-form solution is then compared to the full-wave solution. The closed-form solution has very low computational cost. The spheroid can be one of prolate or oblate type. Both TE and TM incidence are studied and numerical results are given for various values of the parameters.Index Terms-Closed form, electromagnetic scattering, full wave, scattering cross sections, spheroids.
0018-9480
“…T HE electromagnetic scattering by composite objects is useful in many applications, like radar engineering for the calculation of the scattering patterns due to dielectric coated metallic objects [1], [2], for the design of microwave dielectric resonators, used as microwave filters or for permittivity measurements [3], in spherical/spheroidal microstrip structures where a spherical or spheroidal dielectric substrate covers a metallic spherical or spheroidal core [4], for improving electromagnetic scattering techniques used to explain the operation of high-frequency components [5]- [8], or in the future validation of other numerical methods. Moreover, spheroidal-spherical configurations can be also used for approximating other less tractable 3-D particles.…”
Section: Introductionmentioning
confidence: 99%
“…The concept of the equiphase sphere was used by Chen et al in [24] to study dielectric spheroidal particles. Finally, Zouros et al in [8] applied a shape perturbation method on spherical eigenvectors to study prolate or oblate dielectric spheroids. Apart from the simple metallic or homogeneous dielectric structures, composite configurations were also studied.…”
The electromagnetic scattering of a plane wave by composite spheroidal-spherical and spherical-spheroidal configurations is studied in this work. The spheroidal-spherical configuration consists of a spheroidal dielectric shell coating a spherical metallic core, while the spherical-spheroidal configuration consists of a spherical dielectric shell coating a spheroidal metallic core. Initially, the formal series solution is constructed by using analytical expansions connecting the spheroidal with the spherical eigenvectors. The solution of the problem is then obtained following two independent paths: first, asymptotic expansions are applied on all related quantities leading to a solution for the fields and the scattering cross sections, which is given by closed-form expressions, and is valid for small eccentricities of the spheroid. Second, the formal full-wave series solution is solved numerically by truncation. Both the full-wave and the closed-form solutions are validated by numerous comparisons with numerical simulations. The accuracy of the closed-form solution is then compared to the full-wave solution. The closed-form solution has very low computational cost. The spheroid can be one of prolate or oblate type. Both TE and TM incidence are studied and numerical results are given for various values of the parameters.Index Terms-Closed form, electromagnetic scattering, full wave, scattering cross sections, spheroids.
0018-9480
“…Many works examine the EM scattering from conducting or isotropic spheroids, employing a variety of approaches. In particular, methods based on the separation of variables in spheroidal coordinates have been extensively used [40,42,43,45,47]. These methods employ the spheroidal wave functions for the expansion of the fields and proceed to satisfy appropriate boundary conditions at the scatterer's surface, thus leading to an infinite system of linear non homogeneous equations for the unknown field expansion coefficients, that is solved by truncation.…”
Section: περίληψηmentioning
confidence: 99%
“…These methods employ the spheroidal wave functions for the expansion of the fields and proceed to satisfy appropriate boundary conditions at the scatterer's surface, thus leading to an infinite system of linear non homogeneous equations for the unknown field expansion coefficients, that is solved by truncation. Another approach is the asymptotic technique employed in [42,68,69], where, for small values of its eccentricity, the spheroid is considered as a perturbation of the respective sphere and closed-form expressions can be extracted for the scattering cross sections. Also, general methods for the calculation of EM scattering from three-dimensional non spherical bodies may be used to simulate spheroidal shapes, including the integral equation method [54], the extended boundary condition method (EBCM) that leads to the computation of the so-called T-matrix [56], and the discrete-dipole approximation (DDA) [63].…”
Section: περίληψηmentioning
confidence: 99%
“…All previous works employing spheroidal functions are limited to isotropic permittivities. Furthermore, we use a different expansion for the transmitted field-as compared to the one in [42] for isotropic spheroids-by introducing the irrotational spheroidal eigenvector into the formulation, and finally arrive at a new system of equations. To the writer's knowledge, the irrotational spheroidal eigenvector has not been used before in published works on the scattering from spheroids.…”
Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την επίλυση ηλεκτρομαγνητικών προβλημάτων συνοριακών τιμών σε ελλειπτικές κυλινδρικές και σφαιροειδείς γεωμετρίες. Ως εκ τούτου, το περιεχόμενο της αναπτύσσεται σε δύο θεματικούς άξονες: ο πρώτος περιλαμβάνει τη μελέτη της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε σύνθετους μεταλλικούς κυματοδηγούς με ένα ελλειπτικό και ένα κυκλικό τοίχωμα, ενώ ο δεύτερος τη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης από ανισοτροπικά σφαιροειδή. Tο πρώτο κεφάλαιο έχει εισαγωγικό χαρακτήρα. Σε αυτό παρουσιάζονται κάποιες γενικές πληροφορίες για τα συστήματα συντεταγμένων και τις ειδικές μαθηματικές συναρτήσεις που χρησιμοποιούνται για την επίλυση προβλημάτων σε ελλειπτικές και σφαιροειδείς γεωμετρίες. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται μια αποδοτική μέθοδος για τον υπολογισμό των κυματαριθμών αποκοπής ελλειπτικών-κυκλικών και κυκλικών-ελλειπτικών ομοαξονικών μεταλλικών κυματοδηγών. Για μικρές τιμές της εκκεντρότητας του ελλειπτικού τοιχώματος—δηλ., όταν το σχήμα του προσεγγίζει το κυκλικό—, εξάγονται κλειστοί τύποι για τους κυματαριθμούς αποκοπής που έχουν τη μορφή x_{nm}(h)=x_{nm}^{(0)} [1+g_{nm}^{(2)} h^2+g_{nm}^{(4)} h^4+O(h^6)], όπου οι συντελεστές g_{nm}^{(2)} και g_{nm}^{(4)} είναι ανεξάρτητοι της εκκεντρότητας h και δίνονται από απλές αλγεβρικές σχέσεις που δεν απαιτούν τον υπολογισμό των συναρτήσεων Mathieu, ενώ ο όρος x_{nm}^{(0)} αντιστοιχεί στους κυματαριθμούς αποκοπής του κυκλικού ομοαξονικού κυματοδηγού. Αυτές οι αναλυτικές εκφράσεις ισχύουν για κάθε τιμή των δεικτών n και m, κάθε TΜ_{nm} και TE_{nm} ρυθμού υψηλότερης τάξης. Η απόδοση και η ακρίβεια της μεθόδου ελέγχονται μέσω της σύγκρισης με την ακριβή λύση του προβλήματος και δίνονται αριθμητικά αποτελέσματα για διάφορους ρυθμούς υψηλότερης τάξης. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσσονται δύο μέθοδοι για τον υπολογισμό της σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από σφαιροειδή σώματα με ανισοτροπικές ιδιότητες. Η πρώτη είναι μια γενική μέθοδος πλήρους κύματος που βασίζεται στην έκφραση των πεδίων σε σειρές σφαιροειδών ιδιοδιανυσμάτων. Εφαρμόζοντας τις συνοριακές συνθήκες στην επιφάνεια του σφαιροειδούς, αποκτούμε ένα γραμμικό σύστημα εξισώσεων που δίνει τη λύση του προβλήματος. Η δεύτερη μέθοδος είναι μια τεχνική διαταραχής η οποία, για μικρές τιμές της εκκεντρότητας του σφαιροειδούς—δηλ., όταν το σχήμα του προσεγγίζει το σφαιρικό—, οδηγεί σε απλές αλγεβρικές εκφράσεις της μορφής S(h)=S^{(0)} [1+g^{(2)} h^2+g^{(4)} h^4+O(h^6)], για τον υπολογισμό των διατομών σκέδασης. Οι συντελεστές g^{(2)} και g^{(4)} είναι ανεξάρτητοι της εκκεντρότητας h και των σφαιροειδών συναρτήσεων, ενώ ο όρος S^{(0)} αντιστοιχεί στη σκέδαση από ανισοτροπική σφαίρα. Και οι δύο τρόποι επίλυσης χρησιμοποιούν ένα ειδικό ανάπτυγμα σφαιρικών ιδιοδιανυσμάτων με διακριτούς κυματαριθμούς, για την περιγραφή των πεδίων στην ανισοτροπική περιοχή. Η μέθοδος των σφαιροειδών ιδιοδιανυσμάτων επαληθεύεται μέσω της σύγκρισης της με ανεξάρτητες αριθμητικές τεχνικές και στη συνέχεια χρησιμοποιείται ως αναφορά για τη διερεύνηση της ακρίβειας της μεθόδου διαταραχής. Οι δύο μέθοδοι συγκρίνονται ως προς την απόδοση και δίνονται αριθμητικά αποτελέσματα για διάφορα είδη ανισοτροπίας.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.