3D tool에서 Boundary 설정은 간단하지만 중요한 부분이다. 이러한 Boundary Condition(이하 BC) 설정은 각각의 경계면의 성질을 원리적으로 잘 파악하면 방법론도 명확해진다. BC 자체에 대해 궁금하다면 우선 Basic Study의 Boundary Condition을 참조하기 바란다.

Closed & Open Structure

통상적으로 3D simulation은 Closed Structure simulation과 Open Structure simulation으로 분류된다. 말 그대로 금속으로 밀폐된 공간내에서의 해석과 외부가 공기로 개방되어 있는 구조해석으로 나뉘어진다. 예를들어 도파관이나 동축선 내부의 필드를 보고자 하는 경우에는 Closed 구조일 것이고, 안테나나 Microstrip 같은 경우는 일부면이 개방된 구조이므로 Open 구조로 볼 수 있다.

대부분의 3D tool들은 기본적으로 Closed Structure를 기본값으로 하고 있어서 특별한 설정을 하지 않으면 외부는 완전히 도체로 둘러싸여 있다고 판단한다. Closed의 경우에는 외곽을 다 도체로 보면 되니까 외부에 대한 BC 설정은 아무런 의미가 없고, 대칭면 해석 등을 적용할 때만 중앙부위에 사용한다. 안테나처럼 완전히 Open의 경우라면 외곽을 Open (ABS) 경계면으로 설정하면 되는데, Microstrip같은 류라면 약간 다르다.  아래에 구조를 보다 세분화하여 설명한 표를 보도록 하자.

Open Structure simualtion은 별도의 설명부분이 있으니 여기서는 생략하고, 상황에 따라 모든 경계면을 적용할 수 있어서 더 헷갈리는 Semi-Open Structure에 대해 아래에 설명하였다.

Microstrip 회로의 최외곽 BC 설정

일단, Microstrip은 기본적으로 맨 아랫면을 제외하고는 전부 Open을 하는 것이 기본정석이다. 물론 기판내부로 대부분의 에너지가 진행되기 때문에, 외부로 방출되는 전자파의 양은 적을 것이지만, 아무래도 Open을 이용하는 편이 확실하다. 문제는 경계면의 설정보다 계산공간을 얼마나 넓게 더 잡아주느냐의 문제일 것이다. 누설되는 전자파의 영향을 정확히 고려하려면 아래 그림과 같이 선로 위와 옆으로 적당한 여유공간이 필요하며, 무리하게 넓게 줄 필요는 없고 적당히 주면된다.

위에서 한가지 짚고 넘어갈 부분은, 맨 아랫면은 Electric Boundary로 설정하였다는 점이다. 이런 경우 맨 아래에 있는 GND판은 전혀 그릴 필요가 없다. 물론 그려도 상관없지만 불필요한 수고를 덜기 위해 GND는 아예 안그리는 습관을 들이길 권장한다. Electric Boundary의 특성이 결국 금속판과 같다는 점을 고려해보면 그 이유를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

그런데 만약 어차피 금속박스에 집어넣어서 housing을 할 회로라면, 아예 처음부터 내부 housing의 크기를 계산하여 그 크기만큼의 공간을 설정하고 최외곽을 Electric boundary로 설정하는 것이 좋다. 또는 굳이 housing을 고려하지 않더라도 coupling이 심하지 않은 회로라고 판단되면 최외곽을 그냥 Electric bopundary으로 설정하는 경우도 많다. Open boundary는 경계면에 입사되는 전계를 흡수하여 저장하고 계산하는 과정이 추가되기 때문에 Electric boundary를 사용하는 것보다 계산속도가 느리기 때문에 고려해볼 만한 사항이다. 하지만 정확히 판단이 안되는 경우라면 기본에 충실하게 Open boundary를 사용할 것을 권장한다.

Stripline의 BC 설정

Stripline의 경우에는 microstrip보다 간단하다. 위에서 본 것처럼 Stripline의 위 아래도 GND로 되어 있으므로 굳이 금속을 그리지 않고 경계면 설정만으로 똑같이 해석이 가능하다. 아래 그림은 BC를 이용한 일반적인 경계면 설정의 예이다.

언뜻보면 위아래 GND판이 없어서 너무 허~하게 보일진 몰라도 원래 설정법이 이렇다. 그런데 실제로 Stripline은 그 자체만으로 밀폐된 구조가 아니라 다른 회로 구조물과 함께 물려서 그려야 할 경우도 많기 때문에, 그런 경우라면 당연히 위 아래 GND 판을 그려주어야 할 것이다. 위의 경우는 구조물이 Stripline만 존재한다는 가정하의 설정법이다.

나머지 CPW나 Slab line 등은 위에서 언급한 BC의 성질을 잘 이해하면 비슷하게 적용할 수 있다. 지금 위에서 언급한 내용들은 구조마다의 BC 적용법을 배운다기 보다는, BC 자체의 원리를 깨닫는 과정으로 이해해야 한다. BC의 개념을 명확히 익힌다면 이러한 방법들은 각자가 알아서 조절할 수 있게 될 것이다.

BC의 재질로서의 활용

이것은 주로 HFSS와 같은 FEM solver에 해당하는 내용이다. FEM solver는 특성상 얇은 판구조의 해석이 매우 어렵기 때문에, 보통 금속 피막류는 2D로 표현하여 해석하게 되어 있다. 이러한 2D 기능을 잘 이용하면 최외곽에서의 BC 설정말고도 2D에 대해 마치 재질을 주는 듯하게 BC를 할당할 수 있다.

가장 흔히 사용되는 예로는 Microstrip이나 Stripline에서 사용되는 얇은 금속판의 경우, 대부분 2D로 drawing 한후 BC를 Perfect E (Electric Boundary)로 설정한다. 또는 BC 상에서 직접 도전율이나 기타 재질값을 입력하여 마치 재질설정처럼 적용시킬 수 있다. 2D로 된 개체들은 Material 설정에서 재질을 줘도 되고, Boundary 설정에서 BC로 줘도 결과는 동일하므로 취향에 맞게 둘중의 하나를 선택하여 적용한다. 몇가지 이유로 가능하면 Material 설정시에 2D의 재질을 정해주는게 편한데, 만약 BC로 재질을 주고자 할 때는 해당 2D의 Material을 vaccum으로 준다.

Magnetic Boundary (Perfect H)의 활용

BC 중에 가장 애매하고 이해가 안갈 만한 것이 바로 magnetic boundary (perfect H)이다. Magnetic Boundary는 전계를 완전히 투과하는 BC로서 언뜻 보면 전혀 필요가 없어보이기도 한다. 하지만 크게 세가지 측면에서 필요할 때가 발생한다. 첫째 대칭면 해석 부분에서 언급되었듯이 전계에 평행한 방향으로 대칭해석 시에 필요하다.

둘째, 최외곽 경계면에서 Open대신 사용되는 경우이다. 주로 Microstrip이나 Stripline의 경우 이용하게 되는데, 굳이 계산 시간이 오래 걸리는 Open을 이용하기 보다는 상대적으로 계산 속도가 빠른 magnetic boundary를 사용하여 단순히 전자파가 반사되어 돌아오지 못하고 밖으로 나가버리게 하기 위한 용도로 사용된다. 하지만 이 용도는 시간벌기의 편법중 하나이기 때문에, 꼭 필요한 경우가 아니면 사용을 권장하진 않는다.

셋째, HFSS에서는 간단하게 얇은 2D 면에 구멍을 뚫는 효과를 볼 수 있다. 예를 들어 도파관 내에 coupling window를 만드는 경우, 실제로 두께가 있는 금속판을 만들어서 가운데 구멍을 뚫어서 해석할 수도 있지만, 그런 경우라면 HFSS에서는 일반적으로 두 개의 2D 사각형을 만들어서 Perfect E와 Perfect H를 겹치게 둬서 마치 구멍이 뚫린 듯하게 해석하는 편이 유리하다. 아래 그림은 도파관 내에 위와 중앙에 사각형 coupling window를 만든 경우로서, 먼저 단면 전체크기의 2D 개체를 만들어서 Perfect E로 설정한 후, 내부에 만들어놓은 구멍크기의 2D 개체에는 Perfect H를 설정한 경우이다.

이러한 Perfect H를 이용하여 구멍뚫기 방법을 사용할 때 주의할 점은, HFSS는 같은 위치에 존재하는 경계면은 가장 최근에 만들어진 경계면이 우선된다는 원칙이다. 예를 들어 한 공간에 3개의 ABS - Perfect E - Perfect H 와 같은 순서로 경계면이 함께 설정되어 있다면, 가장나중에 설정된 Perfect H만 유효하고 나머지는 무시된다. 어떤 경우에건 경계면을 설정할 때 이 순서를 명확히 하지 않으면 해석이 정확히 될 리가 만무하므로 주의한다.

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