Field Simulation이 필요한 이유

Field Simulation이 필요한 이유

평면회로의 선로 Coupling 문제

일반적인 Circuit Simulator에서도 거의 모든 type의 distributed Transmission Line 소자가 해석가능하다. 그러나 이러한 Transmission Line 소자들은 기본적으로 정해진 수식에 의해서만 계산된다. 즉 정해진 구조 옆에 새로운 Transmission Line이 존재할 때, 그것이 미리 예측된 위치에 존재하여 계산 공식에 반영되어 있지 않다면 그 영향은 무시된다는 점이다. 그것은 Circuit Simulator에서 선로의 폭과 길이값 등은 입력하지만, 근접한 선로간의 간격은 (특별한 경우를 제외하고) 입력하지 않는 다는 점에서 쉽게 눈치챌 수 있다. 그러나 주파수가 올라갈수록 선로간의 Coupling이 크게 증가하기 때문에, 옆 선로와의 간격이 얼마이냐는 상당히 중요한 잡음요소가 되어버린다. 좀더 확대해서 해석하면 근접한 선로는 물론 아무리 멀리 있더라도 한 구조안에 존재하는 모든 금속 선로들은 많건 적건 서로 cross-coupling이 발생한다고 볼 수 도 있다.

Coupling의 단계를 이정도까지 확대해석해야 할 정도로 복잡한 고주파 구조라면, 더 이상 Circuit Simulator는 정확한 결과를 제시하기 어려울 것이다. 실제로 Circuit Simulator들은 주파수가 10Ghz를 넘어서면 그 오차가 점점 심하게 커진다. 이렇듯 각각의 선로들의 결과는 맞지만, 근접 및 주변 선로간의 복합적인 Coupling을 고려하여 해석하려면 Field Simulator가 필요해진다. 하지만 Field Simulator는 FET같은 능동소자의 모델링을 완벽히 구현하기 어렵기 때문에, 실제로는 안테나, 수동소자 또는 능동회로 내의 선로부분 입출력관계를 해석하는데 사용된다.

또한 Coupling을 이용하여 설계되는 각종 필터나 수동소자들, 그리고 전자파 방사를 기본으로 하는 안테나의 경우라면 다음에 소개하는 경우와 같이 당연히 Field simulator가 필요해진다. 어쨌든 Circuit Simulator는 전형적인 형태의 Coupling구조가 아니라면 정확한 계산이 불가능하다는 점을 명심해야 한다.

임의의 형상 구현 & 3D Field Simulator

평면회로를 만들다 보면 정해진 형상 이외의 어떤 특정한 형상의 패턴을 사용해야 할 경우도 있다. 이런 경우 Circuit Simulator에서 선로모델을 잘 조합하여 만들어 낼 수도 있지만, 근본적으로 각 모델은 별도의 등가회로공식으로 계산되는 것이기 때문에 전체의 정확도를 보장할 수 없다. 하지만 Field Simulator는 기본적으로 임의의 형상을 그리기 때문에, 이러한 패턴상의 제약이 거의 없다. 만약 특수형상의 패턴을 이용한 평면회로라면 아래와 같은 2.5D Field Simulator를 사용하는 것이 효율적일 것이다

이런 경우 뿐만 아니라, 구조자체가 3D로 되어 있는 회로들 - 대표적으로 도파관 구조나 동축 구조, 안테나 - 의 경우라면 어차피 Circuit Simulator는커녕 2D 평면을 기준으로 한 Circuit Simulator로 해석하려 하는 것 자체가 어불성설이다. 이런 경우 대충 무대뽀 내지는 경험적인 설계 공식에 의거하여 설계하지 않는다면 3D Field Simulator로 설계하는 수밖에 없다. 물론 이런 3D 구조라 해도 마치 2D 회로처럼 등가모델을 만들어서 설계할 수도 있으나, 이것은 그 구조가 매우 정형화되어 충분히 그 특성이 연구된 경우에 한한다. 그러나 불행히도 RF에서 사용되어지는 많은 3D component들은 각기 그 형상이나 조건이 매우 다양하여 항상 일반적인 수식을 세울 수는 없다. 아래와 같은완전한 3D RF component라면 3D field simulator가 아니고는 정확한 해석을 기대하기 어렵기 마련이다.

갈수록 RF component는 더 복잡하고 등가회로적으로 예측하기 어려운 형태로 발전하고 있기 때문에, 그로 인해 3D field simulator의 역할이 커지고 있다. 예전에는 제품 제작 후에 사치스런 Field 분포 연구용처럼 여겨지기도 했던 3D field simulator가, 지금은 없어서는 안될 중요한 설계도구처럼 자리잡아가고 있다. 3D Field Simulator는 기본적으로 2.5D Field Simulator의 기능을 기본적으로 포함하고 있기 때문에 수동소자나 일부 능동회로구조를 설계하는데는 그야말로 천하무적임에는 틀림없다. 또한 설계가능한 회로형상을 구분하는게 무의미할 정도로 그 적용성은 매우 광범위하다. 이렇듯 3D Field Simulator는 매우 강력한 설계도구임에는 틀림없지만, 사용자가 얼마나 잘 사용하느냐가 개발효율에 결정적인 영향을 미칠정도로 중요하다는 점도 간과해서는 안된다.

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