Open Structure란?

말 그대로 열린구조, 즉 금속 housing이나 차폐벽 없이 개방된 구조를 의미한다. 이것은 크게 안테나 해석과 Scattering 해석으로 나누어진다. 그중에서도 Open structure 해석을 위해 집중적으로 들여다봐야 할 부분은 물론 안테나 해석과 관련된 것이다.

Open Structure가 특별히 취급되어야 하는 이유는, 3D tool은 기본세팅이 Closed Structure으로 되어 있기 때문이다. 그래서 안테나 같은 것을 해석하기 위해서는 최외곽 BC조건과 Background Material등의 조건을 들여다보지 않을 수 없게 된다. 또한 계산공간을 얼마로 잡느냐, 흡수경계면의 위치와 레벨은 어떠한지 잘 알아야 정확한 해석이 가능하다.

Open Boundary (Radiation, ABC)

Open Structure 해석에는 외곽에 Open 경계면을 지정하는 것이 보통이다. 이러한 Open Boundary에는 PML(Perfect Matched Layer), Radiation BC, ABC(Absorving boundary Condition)등의 여러 가지로 불리우게 되는데, 각자의 성능이나 특성은 조금씩 다르지만, 목적하는 기능은 동일하다. Open 경계면의 주요 기능은, 해당 경계면 위치에 입사되는 전자파의 에너지를 계산하여 기록하고, 흡수하는 것이다. 이러한 에너지 흡수계산 과정을 통해 안테나 중심점에서부터의 각도별로 전자파 방사량을 계산하게 된다. 이것이 결국 안테나의 방사패턴으로 나타난다. 이러한 흡수과정으로 인해 계산시간이 늘어나고, 메모리 소비량도 평소보다 2배 가까이 늘어나기 때문에 simulation적인 관점에서 보면 까다로운 편이다.

이러한 Open 경계면류는 보통 order라는 것이 존재하는데, 개념적으로 쉽게 설명한다면 몇단계에 걸쳐서 전자파를 흡수하느냐의 문제이다. 당연히 order가 높을수록 흡수성능은 좋겠지만, 계산시간이 오래걸릴 것이다. 특별히 simulation 알고리즘 자체에 조예가 있지 않다면 그냥 Tool에서 지정해주는 값으로 사용하는 것이 유리하다.

언뜻 생각하면 Open 경계면이라면 입사되는 전자파량을 완전히 흡수할 것처럼 보이지만, 실제로 coding해보면 그렇게 되진 않는다. 입사각에 따라서 완전흡수하기도 하고, 일부는 반사시켜 돌려보내기도 한다. 아래 그림의 경우를 본면 입사각마다 전자파에너지를 흡수하는 양이 다르다는 점을 알 수 있다.

이 문제를 해결하기 위해서는 Open Sturcture 해석시 '여유 공간'이라는 개념이 필요하게 된다. 이문제에 대해서는 아래에 다루었다.

여유공간

초심자들이 3D simulation으로 안테나를 해석할 때 자주 하는 실수중 하나가 여유공간을 제대로 정하지 못한 경우이다. 게다가 이러한 여유공간 크기를 특별히 수식으로 정의하기 보다는 보통 '적당히' 준다라고 알고 있어서 더욱 헷갈릴 것이다.

다시 한번 명확하게 말해서, 안테나등의 Open 구조물을 해석시에는 반드시 사방으로 적절한 양만큼의 여유공간을 만들어서 해석해야 한다. Simulation 알고리즘 자체는 반드시 '한정된' 공간 안에서만 해석이 이루어져야 하므로, Drawing 시에 미리 그 공간이 계산되어 만들어져있어야 하는 것이다. 이 여유공간의 크기는 보통 해석주파수의 1~2 파장 이상의 거리만큼 떨어진 공간을 설정하도록 권장되고 있다. 하지만 모든 경우에 적용되는 공식은 아니고, 대략 같은 크기의 안테나가 각 방향으로 하나 정도 들어갈 공간을 만들면 대부분 큰 무리는 없다. 아래 일반적인 경우의 적정 계산공간의 그림을 나타내었다.

Microwave Studio에서는 이러한 애매한 설정문제를 해결하기 위해 Open(add space) 경계면이라는 것이 존재한다. 이것은 사용자가 지정한 해석주파수에 맞게 자동적으로 계산공간을 넓혀주는 것으로서, 특히 초심자에게 매우 편리하다. 차후에 숙련자가 되어 open(add)를 가만히 들여다보면 필요이상으로 크기가 커서 나중에 open경계면으로만 지정하고 bakcground material 지정시에 distance 조정으로 사용하기도 하지만, 유용한 기능임에는 틀림없다. 아래 그림에서 Twist Helical의 최대해석주파수를 변경했을 때 Open(add) 경계면 크기가 자동으로 어떻게 변하는지를 보여주고 있다.

Dummy Air box (Virtual Object)

이것은 HFSS를 사용할 때 필요한 개념이다. HFSS는 FEM solver로서 Nonlinear mesh를 사용하기 때문에 구조가 복잡한 곳은 mesh를 많이, 구조가 듬성한 곳은 mesh를 적게 주게 되어 있다. FIM이나 FDTD처럼 linear mesh를 사용하는 경우라면 전체영역을 고르게 mesh분할 하기 때문에 공기중의 필드계산에 별다른 오차가 없지만, FEM에서 공기만 차있어서 mesh가 듬성하게 되어 있는 영역의 field 계산에는 오차가 적지 않게 발생한다. 그래서 계산공간 내에 seed를 줘서 mesh를 보다 잘 게 나누는 방법이 많이 사용되었지만, 효율이 떨어진다.

그보다는 안테나와 최외곽 경계면 사이에 dummy(짜가)로 air box를 만들어두는 방법이 많이 권장된다. 이것은 실제로 모든 안테나를 해석할 때 유용한 방법으로서, 계산효율을 그리 떨어뜨리지 않으면서 field pattern을 안정화시키는 tip이다. 아래 그림에서 보여지듯이 다이폴 안테나를 해석할 때 외곽 ABC를 원기둥으로 주었으나, 그 중간 부분의 필드 계산밀도가 떨어지는 것을 방지하기 위해 중간에 사각형 box를 만들어 보전한 case이다.

Antenna Pattern

Open 경계면을 이용하여 안테나 해석을 하였다면, 우선 어느 주파수에서 동작하는지 공진점을 확인한 후 안테나의 방사 패턴을 확인해야 할 것이다. 일반적으로 계산가능한 거의 모든 형태의 안테나패턴을 볼 수 있으며 일반적으로 분류한다면 아래와 같이 3D 패턴과 2D graph 형태의 패턴을들 볼 수 있다. 참고로 이러한 패턴들은 기본적으로 적정거리 이상의 패턴을 계산한 Far-field pattern들만 계산된다.

만약 Near Field 값을 보고 싶다면 아래처럼 그냥 안테나 주변의 E-field를 확인하면 된다.

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