Waveguide Port의 이해

Waveguide Port의 이해

3D tool의 입출력 포트 인가법

3D Field Simulation을 처음 해보면 일단 입력조건 주는 법에서 막히는 경우가 많다. 회로설계처럼 입력선을 달 수도 없고, 2D tool 처럼 입력 선로 끝단에 간단히 포트 icon을 클릭해주는 방식이 먹히지 않기 때문이다.

3D tool에서는 입력부위에 특정한 크기의 2D 사각형 지역을 설정하여, 그 단면에 전자파가 그대로 완전 입사되는 모델을 사용한다. 이것을 소위 Waveguide Port 라고 부르는데, 실제로도 도파관의 입력 설정법에 가장 근접하기 때문에 붙여진 이름이다. (도파관 전용 포트라는 의미는 절대 아님) 특정지역에 사각형 포트를 만들면, 그 위치에서 평면파가 무작위로 방출된 후 그 전자파가 입사된 위치의 단면 구조와 수직 길이에 의해 특정 mode로 자동으로 수렴하게 만드는 것이다. 이러한 포트 인가법은 모든 3D tool에서 공통적으로 적용되는 개념이며, 여기서는 Microwave Studio의 사례들을 통해 Waveguide Port에 대해 이해해보도록 하자. (HFSS의 경우도 99% 동일한 방법이 적용됨) 그림상에서는 빨간 사각형 부분이 Port로 설정되는 부분이다.

도파관의 Port 인가

이름에서 알 수 있듯이, 도파관의 포트법은 매우 간단하다. 도파관 입력부의 단면 전체를 Port로 설정하면, 전자파가 입사하면서 알아서 특정 모드로 에너지가 수렴되어 간다.

Microstrip의 Port 인가

초심자가 3D tool을 처음 쓸 때 가장 당혹해하는 Port가 바로 Microstrip의 Port 설정이다. 위의 Waveguide Port설명을 잘 들어서 이해했다면, 단면구조에서 어느 정도 크기의 포트를 설정하면 될 것인지 대충 이해가 갈 것이다. 일반적인 Microstrip Port의 크기는 아래 그림처럼 대략적으로 추천되는 Size가 있다. 아래로는 Ground 윗단까지, 위로는 기판 높이의 2배가량, 양 옆으로는 선로폭의 1~2배 정도면 적당하다. 실제로는 한쪽 면 전체를 포트로 설정해도 큰 무리는 없지만, 그런 경우 설정하기는 편하지만 최적의 mode계산에 필요이상의 시스템 자원을 소모하는 경향이 있기 때문에 가급적이면 권하지 않는다. 아래 그림정도의 포트크기가 최적의 Microstrip Port설정상태이므로 특별히 제한이 있지 않는한 그대로 따라하도록 한다.

아래와 같은 경우가 대표적인 잘못된 Microstrip Port 설정법이다. 정확한 결과를 얻기 위해서는 위에서 제시한 정도의 포트크기를 잡아주어야한다는 점을 명심하자! 특히 아래에서 세 번째의 사례(선로 바로 밑의 유전체 전부를 선택한 경우)로 설정하는 실수를 많이 범하는데, Microstrip 선로는 완전한 TEM이 아니라 위와양옆으로 일정량의 필드가 누설되는 Quasi-TEM 모드라는 점을 깨달아야 한다. 제대로 된 모드 수렴을 위해서는 실제 필드가 집중적으로 분포되는 지역이 포트 단면에 속해있어야 하기 때문이다. (Microstrip 설명부분을 참조할 것)

유전체단면에만 인가 도체 단면에만 인가 도체바로 아래의 유전체만 인가

<잘못된 Microstrip Port 지정 사례 - 이렇게는 하지미요~ >

Strip Line의 Port 인가

Microstrip과 비슷하지만, 위아래가 Ground로 막혀 있으므로 보다 간단하다. 위아래로는 Grond 안쪽까지 설정하고, 양 옆은 적당히 선로두께보다 2배정도 넓게 만들면 무난하다.

CPW(Coplanar Waveguide)의 Port 인가

Microstrip과 Stripline을 섞어 놓은 형태이다. CPW는 하단에 Ground가 있는 경우와 없는 경우로 나누어지는데 권장되는 포트 설정법은 대략 아래 그림과 같다.

하단에 Grond가 없는 CPW 하단에 Ground가 있는 CPW

Coaxial Line의 Port 인가

동축선은 도파관처럼 대충 해도 되지만, 딱 한가지만 주의하면 된다. 간혹 보면 중심도체에 신호를 인가해야 된다는 생각에 center conductor에만 포트를 설정하는 경우가 있는데, 완전히 틀린 방법이다. 여기서 맨위에 설명된 Waveguide Port의 원리를 상기할 것! 포트면에서 전자파가 입사되기 때문에 중심도체 단면상에서 전반사되어 버려 아무런 모드가 안만들어지고, 에러가 발생한다. 이쯤되면 어떻게 해야할지 상상이 갈텐데, 정확히 유전체 크기까지만 포트를 설정해야 한다. 그래야 유전체로 전자파가 입사되어 TEM 모드를 유기하며 진행하게 된다. 아래 오른쪽 그림이 바로 정석이다.

간혹 Outer Conductor까지 그림을 그린 경우, 아래 오른쪽 그림처럼 Ground로 사용되는 Outer Conductor크기까지 포트를 인가할 수도 있지만 별로 의미는 없다. 오히려 GND까지 포함시키면 차후에 엉뚱한 오류를 일으키는 경우가 간혹 발생하므로, 정확히 유전체까지만 포트를 인가하는 것이 정석이라는 것을 명심하는 것이 좋다. 특히 아래 왼쪽처럼 중심도체에만 포트를 인가하는 실수를 범하지 않도록 주의한다.

<잘못된 Coaxial Port 지정 사례 - 이렇게는 하지마요~ >

Uniform Section

Waveguide Port를 언급할 때 꼭 짚고 넘어가야 할 부분인데, 무작정 입력부 단면에 포트만 인가한다고 해서 적절한 모드가 계산되는 것이 아니다. 그래서 Waveguide Port를 인가할 때는 Uniform Section이라는게 필요해지는데, Uniform Section이란 포트 단면의 수직 방향으로 포트면에서의 단면모양이 그대로 어느정도 길이이상 동일한 형상으로 유지되어야 한다는 것을 의미한다. 아래 그림을 보면 평범한 Coax-to-Waveguide adapter인데, 우측 왼편의 단면그림은 적절한 Uniform Section이 존재하여 해석이 잘 되는 경우이고, 오른편 단면그림은 포트로 설정해야 할 Coaxial 부분이 너무 짧아서 에러가 발생하는 구조이다. 일단 맨 오른쪽 단면도는 보기에도 민망하게 짧은데, 이렇듯 포트로 사용할 구조는 단면 수직방향으로 일정길이 이상 단면구조가 유지되어야 모드가 생성된다.

Uniform Section의 길이는 보통 해석 주파수의 1/4파장 이상을 권하며, Mesh 조건으로 본다면 단면수직방향으로 적어도 3개 이상의 Mesh 영역이 존재해야만 제대로 모드가 수렴된다. 수식적으로야 이렇지만 대부분 보기에 '적당한' 길이로 모양만 만들어지면 별 문제는 없다. 다만 너무 심하게 포트단면수직방향의 단면구조가 많이 변하면(즉 일정한 단면을 유지하는 길이가 짧으면) 에러 혹은 부정확한 계산결과가 초래되므로 꼭 주의하도록 한다.

Waveguide Port의 위치

우선 Waveguide Port는 기본적으로 최외곽에 위치해야 한다는 것을 알아야 한다. 왜냐하면 일단 2D 면으로 정해진 포트는 양면으로 전자파가 나갈 수 있다는 의미기 때문에, 최외곽에 설치하여 한쪽 방향으로는 자연스럽게 나갈 수 없도록 되어 있어야 하기 때문이다. 즉 한쪽 방향으로만 전자파가 입사하려면 계산공간의 맨 외곽에 위치할 수밖에 없다. 즉 아래 그림들처럼 기본적으로 계산 공간의 가장 바깥쪽에 위치해야 한다는 뜻이다.

예외적인 경우로, HFSS의 경우 CAP을 이용하여 최외곽이 아니라도 Waveguide Port를 만들 수 있다. 이 경우 구조물 중간에 위치한 Waveguide Port의 한쪽 방향에 똑같은 크기와 적절한 두께를 같는 완전도체(PEC)를 만들어야 하다. 즉 마치 CAP(뚜껑)처럼 한쪽을 금속으로 막으면 자연스럽게 Waveguide Port에서는 CAP이 없는 방향으로만 전자파를 입사시킨다. 아래의 다이폴 안테나 모델에 Waveguide Port와 Polarization Vector를 이용하여 두 Wire에 +- balanace 신호를 입력하는 특수한 사례인데, 보다시피 공중에 붕 떠있다. 이러한 경우 오른쪽 그림과 같이 공중에 보라색네모와 같은 Waveguide Port를 설정한 후 뒷면에 하늘색 금속 블록을 Dummy로 달아서 해석할 수 있다. 물론 이 경우 Dummy로 추가된 네모금속에 의한 필드 변화가 우려될 수 있지만, 대부분의 경우 안테나 크기보다 작으면 별다른 오차는 없다.

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