1.  Mesh 보기

구조물의 mesh를 보고자 할 때는 mesh mode icon 을 누르면 된다.

을 각각 누르면 mesh가 보이는 평면을 바꾸어 볼 수 있다.

  X축 기준 (YZ 평면)          Y축 기준 (ZX 평면)          Z축 기준 (XY 평면)

각 축에서 보고자 하는 기준 면을 이동할 때는 두가지 버튼이 있는데, 을 누르면 +방향으로 mesh 면이 이동하고 을 누르면 -방향으로 이동한다.

을 누르면 mesh property에 들어가서 각종 mesh 조건들을 수정할 수 있다.

을 누르면 mesh 분할 기준이된 point들의 list를 볼수가 있지만 별로 볼 필요는 없다.

2.  PBA (Perfect Boundary Approximation)

PBA의 중요한 의미는 바로 이것이다. 반드시 잘 이해하고 있어야 한다.

PBA : 하나의 mesh 안에서 두개의 재질로 분리하여 계산하는 기술

즉 원형이건 사선이건 간에 하나의 mesh 안에 두개의 재질이 존재하게 되면, 그 경계 형상 곡선에 맞게 두개의 재질로 mesh를 재분리하여 계산하는 셈이 된다. 그래서 Microwave Studio에서는 반드시 재질 외곽형상에 맞추어 mesh가 분할될 필요가 없기 때문에 mesh 조절이 훨씬 쉬워진다.

3. Critical cell

PBA의 주의사항

PBA란 기술은 mesh 조절을 매우 편하고도 정확하게 분할해 줄 수 있는 획기적인 기술에는 틀림없으나, 그 적용에는 분명한 한계가 있다. PBA의 의미를 이해하였다면, 이러한 경우를 가정해 보아야 한다.

" 하나의 mesh안에 3가지 이상의 재질이 존재한다면? "

이 문제는 여러가지 설계와 해석을 하다보면 분명히 접하게 된다. PBA가 현재 2가지의 재질을 동시에 한 mesh에서 분할해석이 가능하다는 말은, 뒤집어 말한다면 3개 이상의 재질이 존재해서는 안된다 라는 의미가 된다.

Critical Cell의 발생

바로 이러한 문제가 발생하면 Microwave Studio는 Critical cell을 발생시킨다. Critical cell이란, 하나의 mesh 안에 3구역 이상의 재질이 포함되어서 제대로 계산이 안되기 때문에 그중 어느 하나의 재질로만 그냥 통짜로 모델링해버린 일종의 에러구역을 의미한다. 보통은 critical cell은 그 mesh를 내부분할하지 못하고 그냥 몽땅 금속인것처럼 모델링해버리는데, 당연히 결과가 잘 맞을리가 만무하다. 어쨌든 중요한 것은 Critical cell이 많으면 계산 결과가 엉망이 된다는 점을 유념하여 critical cell이 발생하지 않도록 mesh가 만들어져야 한다는 점이다.

Critical Cell의 발생여부 확인

다행히도 Critical cell은 계산 초기에 발견되기 때문에 쓸데없는 시간 낭비를 막을 수 있다. Solver를 실행하면 제일먼저 mesh 분할을 하게 되는데, mesh 분할이 종료되고 port excitation으로 넘어가는 시점에서 mesh mode를 클릭해보면 화면 위에 critical cell이 발생했다는 메시지와 함께 그 부분을 하늘색 벽돌로 보여준다. (아래 그림 참조)

만약 발생한 critical cell이 그다지 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단되면 그냥 계산을 진행해도 결과값은 별 차이가 없을 것이다. 하지만 치명적으로 보이는 critical cell이라면 구조 자체를 망가뜨려 이상한 결과를 유도하게 되므로, 발견 즉시 계산을 중지시키고 mesh mode에서 몇가지 손을 봐야 한다.

이러한 경우를 사전에 예장하기 위해서, 계산을 시작하기 전에 아예 mesh mode를 선택한 상황에서 simulation을 실행하는 방법이 권장된다. 이런 습관을 들이면 부적절한 mesh에 의해 발생하는 시간낭비를 상당히 줄일 수 있다.

아래 경우는 오른쪽 그림처럼 하늘색 Critical Cell들로 인해 Short 된 것처럼 해석될 것이다.

아래 그림은 이것을 좀더 확대해서 본 것으로서, 하나의 Cell에 3개 이상의 재질영역이 존재해서 발생한  Critical cell로 인해 하나의 도체처럼 해석되어 버리게 된다.

Critical cell을 없애라!

없애는 방법 자체는 원론적으로 극히 간단하다. 하나의 mesh 안에 두개 이하의 재질만 들어가도록 mesh를 조절하면 된다. 일반적으로 mesh가 다소 부실하게 나뉘어진 경우에는 mesh property의 ratio 조절만으로도 대부분 해결된다. 만약 얇은 사선 구조가 많은 경우라면 이러한 방법으로는 해결이 어렵고 mesh rectangle 같은 것을 이용해야 한다.

4. Mesh Property

Critical cell 이 발생하여 mesh를 조절해야 할 필요가 있으면 우선 을 눌러 왼쪽과 같은 mesh properties 창을 띄워야 할 것이다.

Lines per wavelength  : 이것은 말 그대로 한 파장당 기본적으로 최소 몇 개의 mesh line을 구분할 것이냐라는 수치이다. 특히 이것을 건드리면 mesh가 기하급수적으로 늘어나기 때문에 주의를 요한다. 보통 10 이상의 수치는 큰 의미는 없기 때문에 잘 건드리는 메뉴는 아니다.

Lower mesh limit  : mesh 밀도를 증가시켜야 할 이유가 있을 때 사용되는 기능이다. 역시 아무 조건 없이 mesh가 마구 늘어나기 때문에 명확한 목적이 있을 때만 조심스럽게 사용할 필요가 있다.

Ratio : 실제로 mesh properties에서 가장 유용하게 사용하는 메뉴이므로 잘 기억해야 한다. 여기서 ratio가 의미하는 것은 case by case이기 때문에 정확하게 수치로 정의할 수 없고, 그 기능을 명확하게 이해하는 것이 중요하다. 다음의 설명을 잘 읽고 반드시 이해해야 한다. PBA가 있음으로 해서 생기는 중요한 장점은, 2개의 재질이 적당히 하나의 mesh 안에 있도록 나뉘어진다 하더라도 상관이 없다는 점이다. 그래서 Microwave Studio는 굳이 모든 개체의 경계면에서 mesh를 나누지 않고, 적당히 비율적으로 작은 간격이나 거리는 무시해버리게 된다. 바로 이 문제 때문에 Ratio라는 개념의 수치가 발생하는데, Ratio를 조절하여 그 무시되는 작은 거리들의 기준수치를 조절한다. Ratio를 올리게 되면 더욱 좁은 개채간격/크기에서의 mesh point를 고려하게 되어 결과적으로 critical cell을 상당수 줄일 수 있게 된다. 즉 Ratio를 최대로 한다면 구조에 발생한 모든 꼭지점에서 mesh 분할이 이루어진다. 이러한 사실을 근거로 하여 ratio를 적당히 올려가면서 critical cell이 발생하는 지점에서 mesh의 추가분할이 이루어지도록 유도할 수 있다. 다음 페이지의 그림들을 참조하기 바란다.

아래의 Air strip Feed line 예제를 통해 Ratio에 대해 이해해 보도록 하자.

(1) Ratio = 2 인 경우

굵기가 다른 Feed line상의 mesh에 하나의 mesh 안에 여러 3가지의 재질 영역이 구분되어 Critical cell이 발생한다. Ratio가 너무 낮은 상황임.

(2) Ratio =3 인 경우

주변의 다른 새로운 꼭지점까지 mesh를 분할 함으로써 선로 중앙에 새로운 mesh line이 추가되었다. 하나의 mesh에 2개 이상의 재질구역 있는 곳은 사라졌으므로 critical cell 없이 해석이 잘 된다.

(3) Ratio = 15 인 경우

최대치 ratio 값을 주면 모든 구조물의 꼭지점에서 mesh를 분할하게 된다. 그러나 굳이 이렇게 많이 줄 필요는 없고, 위와 같이 critical cell 이 생기지 않을 정도만 설정하는 것이 좋다.

이 예를 통해서 ratio 조절과 그 결과를 대략 감을 잡고 향후 실습을 통해 익히도록 한다.

5. Advanced mesh option

Mesh properties에서 automesh 버튼을 누르면 위와 같은 추가적인 mesh 조절창이 뜨게 된다. 실제로 이 수치들을 건드려야 할 경우는 상당히 드물지만, Mesh refinement at fixpoints와 관련된 기능들은 종종 유용하게 활용되므로 설명하도록 한다. 나머지 메뉴는 아주 특별한 경우가 아니면 건드리지 말아야 해석의 정확도를 떨어뜨리지 않게 된다.

Refine at pec edges by factor : 금속 선로상에서 자체적으로 mesh가 추가적으로 분할되길 원하는 경우에는 이 메뉴의 수치를 높여서 금속 line에 따른 추가 mesh 분할을 유도할 수 있다. 또는 필요 이상으로 금속부위의 mesh가 발생했다고 느껴진다면 이 수치를 1로 하여 mesh를 줄일 수도 있다.

Refine mesh inside dielectric material : 원래 유전체에서는 파장이 짧아지기 때문에 그 유전율의 제곱의 역수에 비례하여 mesh line이 늘어나야 한다. 하지만 경우에 따라 굳이 그렇게까지 하지 않아도 결과가 잘 나오는 경우도 종종 있다. 특히 유전체의 체적이 유난히 큰 구조를 해석할 때는 mesh가 너무 많아져서 효율이 극히 떨어질 수 있으므로, 그러한 경우에만 이 기능을 off 시킬 필요가 있다. Mesh양에 특별히 문제가 없는 구조라면 건드리지 않는 것이 이롭다.

6. Mesh Rectangle

Mesh properties의 ratio 조절로도 critical cell을 잡을 수 없는 경우가 있다. 특히 얇고 긴 사선이나 곡선 라인이 있는 경우가 그러한데, 그런 경우에는 rectangle을 이용하여 특정 부위에만 mesh의 밀도를 높여줄 필요가 있다.

Mesh Rectangle 설정법

1. 우선 mesh mode로 들어간다.

2. mesh 밀도를 높이고자 하는 면 혹은 위치를 찾아놓는다.

3.  (density control rectangle rectangle) 아이콘을 누른다.

4. 밀도를 높이고 싶은 지역의 양쪽 대각선 모서리를 찍으면 노란색 사각형이 생긴다.

5. 그와 함께 density를 조절하는 창이 뜨는데, 여기서 2,4,8,16,32배 만큼 density를 증가시킬 수 있다.

Mesh Rectangle 사용시 유의사항

- 밀도 수치를 변경후 apply 버튼을 누르게 되면 밀도조절창은 살아있는 상태에서 화면상에서 늘어난 mesh양을 그림으로 보여준다. 여기서 주의할 점이 있는데, apply 버튼을 누르면 그 결과가 history에 등록된다는 점이다. 즉, 만약 수치를 계속 높인 후 만족할 만한 수치에서 ok를 누르고 빠져나왔다면 향후에 아무런 문제가 없지만, 이런저런 이유로 cancel을 눌러서 빠져나왔다 하더라도 apply 했던 결과는 history에 남게 된다는 점이다. 그래서 나중에 history를 재실행 해보면 최종적으로 apply했던 밀도대로 mesh가 분할되어 버린다. 이것은 일종의 논리적 버그의 하나이므로 사용자가 cancel하더라도 history를 확인하여 일일이 지워줘야 할 필요가 있다.

- 경우에 따라서는 특정 지역에서 아무리 density를 높여도 mesh가 안 늘어날 때도 있다. 이것은 선택된 평면상에서 주변 mesh의 특이점이 모자라서 인데, 같은 위치에서 높이가 다른 평면으로 옮겨서 만들 수 있다.

7. 각 개체별 mesh 조절

 특정 개체에만 mesh 밀도를 늘이고 싶을 때 사용한다. 왼쪽 그림처럼 Mesh mode 상태에서 왼쪽 개체창에서 원하는 개체에 마우스를 대고 오른쪽 버튼을 클릭해서Automesh Properties라는 메뉴에 들어간다. 그럼 오른쪽과 같은 메뉴가 뜨는데, 여기서 각 좌표 (Dx, Dy, Dz)에 대해 수치를 높여가며 적절히 그 개체만 mesh 밀도를 높일 수 있다.

그런데 실제로 이 기능을 사용해보면 몇가지 제약으로 인해 완전하게 mesh를 조절하기가 어렵다. 그러므로 가급적이면 ratio나 rectangle로 critical cell을 없애는 방법을 사용하는 편이 낫다.

<결론> 최적의 MWS mesh 분할이란?

Microwave Studio는 3D tool 중에서 mesh 조절이 가장 편하면서도 powerfull한 편에 속한다. 그래서 50% 이상의 구조물은 아무런 mesh 조건 설정 없이도 좋은 결과를 낼 수 있다. 그럼에도 불구하고 Default로 잡힌 조건에서의 Mesh분할이 부적절하여 critical이 주로 발생하는 경우는 다음과 같다.

    - 원형구조가 많은 경우

    - 얇은 선로와 굵은 선로가 혼재하는 경우 / 개체의 크기 차이가 심한 경우

    - 비슷한 위치에 여러 선로가 복잡하게 얽혀 있는 경우

    - 얇은 사선 구조가 많은 경우

앞의 내용들을 읽고 PBA와 Critical cell을 잘 이해하였다면 아마도 위와 같은 경우가 mesh 분할이 까다롭다는 것을 쉽게 납득할 수 있을 것이다. 즉 전체적으로 사각형만 있거나 일부에만 사선과 원형이 있는 경우는 거의 문제되지 않는다.

최적의 mesh 분할을 위해서는 다음과 같은 점을 유념하도록 한다.

1. simulation 실행 전에 mesh mode를 켜놓고 초반에 critical cell이 발생하는 지 체크하는 습관을 들인다. 만약 경험이 많아진다면 아마도 현재 구조에 critical cell이 생길지 안 생길지는 쉽게 예측될 것이다.

2. Short를 발생하는 critical cell은 당연히 반드시 제거해야 한다.

3. 사선구조에서 약간 사각으로 튀어나와서 발생한 critical cell은 굳이 보정하지 않아도 결과에 큰 영향을 미치지 않는 경우가 많다. 이러한 결정은 구조 특성에 맞게 수정할지 말지 본인이 결정을 내리는 유도리가 필요하다.

4. 동축선에서 외곽도체를 크게 만들어야 유리함을 항상 명심한다.

5. 더 나아가서, 구조가 복잡해서 mesh 분할이 쉽지 않을 것이라 예상되면 mesh mode에서 의심부위의 mesh를 미리 체크하여 사전에 제거한다.

6. mesh 조절은 가급적이면 ratio를 통해 조절하고, 경우에 따라 rectangle을 이용하는 정도의 범위에서 수정하는 것이 좋다. 특별한 경우가 아니라면 나머지 mesh 조절 기능들은 손대지 않도록 한다.

Microwave Studio에서는 일단 critical cell만 안생기도록 mesh 분할이 되면 90% 이상 신뢰할 만한 계산을 수행한다는 점을 명심한다.

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