디자이너를 위한 포럼에 참여하기
여러분의 전문 지식은 커뮤니티에 매우 중요합니다. 참여하여 지식을 공유하세요
지금 포럼에 참여하세요업계 최고의 전문가들과 함께 공유하고 배우며 성장하세요.
안테나는 최신 통신 및 레이더 시스템에서 중요한 역할을 하며 다양한 플랫폼에서 전자기 신호를 송수신할 수 있도록 합니다. 효율적인 안테나를 설계하려면 최적의 성능을 보장하기 위해 전자기 원리에 대한 깊은 이해가 필요합니다. 이 게시물에서는 전자기장을 정확하게 시뮬레이션하는 기능으로 유명한 강력한 설계 툴인 Ansys HFSS의 안테나 시뮬레이션 워크플로우에 대한 개요를 제공합니다.
HFSS를 사용하면 안테나 설계가 효율적일 뿐만 아니라 직관적으로 이루어집니다. 파라메트릭 분석 및 최적화 알고리즘과 같은 고급 기능과 결합된 사용자 친화적인 인터페이스를 통해 다양한 안테나 구성을 쉽게 탐색하고 설계를 빠르게 반복하여 요구 사항을 충족하는 솔루션을 얻을 수 있습니다.
모델 지오메트리
먼저 사용자는 직관적인 인터페이스를 활용하여 와이어 안테나와 같은 단순한 구조부터 복잡한 어레이 구성까지 다양한 안테나 지오메트리를 그릴 수 있습니다. HFSS의 주요 장점 중 하나는 파라미터화된 지오메트리를 지원하여 사용자가 고정값 대신 변수를 사용하여 지오메트리 치수를 정의할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 설계 변형을 쉽게 탐색하고 안테나 성능을 최적화하기 위한 파라메트릭 연구를 용이하게 할 수 있습니다.
아래 이미지는 완전히 파라미터화된 프로브 공급 원형 패치 안테나 모델을 보여줍니다. 프로젝트 관리자 아래의 속성 보기에서 기판 치수가 파라미터화된 것을 볼 수 있습니다. 리본의 그리기 창에는 모델 형상을 만드는 데 사용할 수 있는 많은 1D, 2D 및 3D 그리기 작업과 부울 연산이 표시됩니다.
안테나 요소와 피드 구조의 지오메트리가 정의되면 안테나 주변에 에어박스를 만드는 것이 중요한 단계입니다. 에어박스 크기는 시뮬레이션 도메인의 경계를 설정하고 안테나의 전자기 환경을 정확하게 표현하는 역할을 합니다. 위 모델에서 에어박스는 와이어프레임 보기에 표시된 영역으로 생성됩니다.
머티리얼 속성 및 경계 조건
재질 속성은 안테나 요소, PCB 기판 및 주변 구조물을 포함하여 모델 내의 개체에 할당됩니다. 재질 속성은 전자파가 물체와 상호 작용하는 방식을 정의합니다. 안테나 시뮬레이션과 관련된 재료 특성에는 유전 유전율, 유전 손실 탄젠트 및 전기 전도도가 포함됩니다. 재료 특성을 정확하게 지정함으로써 사용자는 실제 환경에서 안테나를 시뮬레이션하고 다양한 작동 조건에서 성능을 평가할 수 있습니다.
HFSS에는 안테나 설계에 자주 사용되는 다양한 재료가 포함된 재료 라이브러리가 포함되어 있습니다. 사용자는 라이브러리에 사용자 지정 재료를 추가할 수 있습니다. 재료 특성은 주파수 의존적, 이방성, 공간 의존적 및/또는 온도 의존적일 수 있습니다. 아래 이미지는 패치 안테나 모델에 사용되는 기판 재료에 대한 재료 라이브러리 정의를 보여줍니다.
경계 조건은 2D 물체뿐만 아니라 시뮬레이션 도메인의 경계에서 전자기장의 거동을 정의하는 데 중요한 역할을 합니다. 안테나의 경우 HFSS는 전자파가 반사 없이 자유롭게 전파될 수 있도록 열린 공간을 모방한 경계 조건을 지정할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 여기에는 2차 흡수 경계 조건(ABC), 완벽하게 일치하는 레이어(PML), 유한 요소 경계 적분(FE-BI) 종단이 포함됩니다. 아래 이미지는 에어박스 영역의 외부 면에 할당된 흡수 경계 조건을 보여줍니다.
안테나 및 접지면과 같은 2D 전기 전도성 물체의 경우 유한 전도성 경계 조건이 할당됩니다. HFSS에는 이러한 경계에 적용할 수 있는 여러 표면 거칠기 모델이 포함되어 있어 제작된 안테나의 특성과 밀접하게 일치합니다. 안테나 모델에 자주 사용되는 다른 경계 조건으로는 대칭 평면, 주기적 경계, 임피던스 경계 등이 있습니다. 아래 이미지는 패치 안테나와 접지면에 할당된 유한 전도도 경계 조건을 보여줍니다.
포트 여기
안테나 피드 여기용 포트를 할당하는 것은 안테나 성능 및 동작의 정확한 시뮬레이션을 보장하기 위한 중요한 단계입니다. 측정에서와 마찬가지로 포트는 안테나의 입력 임피던스와 매칭 특성을 분석하는 편리한 방법을 제공합니다. 포트는 안테나 임피던스의 주파수 응답과 여러 요소 간의 커플링을 특성화하는 산란 파라미터(S-파라미터)를 구하는 데 사용됩니다.
웨이브 포트는 일반적으로 도파관 안테나와 동축 공급 안테나를 시뮬레이션하는 데 사용되며, 특성 임피던스 및 전파 상수를 포함한 2D 필드 솔루션을 제공합니다. 포트의 위상 기준은 피드 라인의 길이를 따라 디임베딩하여 조정할 수 있습니다. 덩어리 포트를 사용하여 다이폴 안테나의 암 사이와 같은 특정 위치에서 직접 여기를 제공할 수 있습니다. 사용자는 임펄스 여기의 기준 임피던스를 지정합니다.
아래 이미지는 패치 안테나에 공급하는 동축 케이블에 할당된 웨이브 포트를 보여줍니다. 웨이브 포트가 모델 볼륨 내부에 있는 이러한 유형의 시나리오에서는 전도성 물체를 사용하여 포트를 뒷받침합니다. 화살표는 포트 정의에 대한 디임베딩 거리를 나타냅니다.
솔루션 설정
모델을 풀기 전 마지막 단계는 솔루션 파라미터를 지정하는 것입니다. 여기에는 적응형 메시 주파수, 주파수 스윕 유형 및 해상도, 수렴과 관련된 솔루션 파라미터를 정의하는 것이 포함됩니다. 적응형 솔루션 주파수는 가장 높은 관심 주파수로 지정하여 좋은 메시를 얻을 수 있도록 할 수 있습니다. 또한 지정된 여러 주파수 또는 지정된 주파수 대역에서 메시를 조정할 수도 있습니다. 포트를 포함하는 안테나 모델의 기본 수렴 파라미터는 현재와 이전 적응 패스 사이의 S-파라미터 값의 최대 차이입니다. 아래 왼쪽 이미지는 S-파라미터 값의 변화가 1.5% 미만이 될 때까지 11.6GHz에서 적응형 메시로 설정된 솔루션을 보여줍니다. 오른쪽의 옵션 탭은 기본 1차 메시 요소를 사용하고 가장 적합한 행렬 솔버를 자동으로 선택하도록 설정된 HFSS를 보여줍니다.
수렴 프로세스
HFSS는 유한 요소법을 사용하여 맥스웰 방정식을 풀고, 지정된 수렴 기준에 도달할 때까지 솔루션 도메인 전체에 메시 요소를 지능적으로 추가하는 적응형 메시 알고리즘을 적용합니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 이 예제 패치 안테나 모델은 9번의 적응형 패스를 완료했으며, 마지막 두 패스는 모두 1.5%의 S-파라미터 수렴 값을 충족했습니다. 솔루션 시간은 7코어를 사용하는 일반 데스크톱 컴퓨터에서 2분이 걸렸으며, 최종 모델 크기는 약 41,000개의 사면체 메시 요소였습니다.
유한 요소 메시
HFSS는 전자기 현상을 효율적이고 정확하게 시뮬레이션하기 위해 자동 적응형 메시 기법을 사용합니다. 이 적응형 메시 기능은 시뮬레이션 도메인 내의 전자기장 변화에 따라 로컬 메시 밀도를 지정합니다. 또한 HFSS는 메시 설정 및 세분화 기준을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 모델의 특정 영역에 특정 메시 밀도를 적용하는 메시 작업을 생성할 수 있는 기능도 제공합니다.
지오메트리와 람다 세분화 값을 기반으로 초기 메시가 생성됩니다. 적응형 패스가 완료되면 HFSS는 전자기장 분포를 모니터링하고 전자기장 변화가 큰 영역에서 메시를 세분화합니다. 이러한 중요 영역에 컴퓨팅 리소스를 집중함으로써 HFSS는 시뮬레이션이 가장 효율적인 메시로 지정된 수렴 요구 사항을 달성하도록 보장합니다.
아래 이미지는 패치 안테나 기판의 윗면에 HFSS가 자동으로 생성한 메시를 보여줍니다. 예상대로 원형 패치의 가장자리가 가장 잘 다듬어졌는데, 이는 이 유형의 안테나에 전자기장이 집중되는 곳이기 때문입니다.
S-파라미터 결과
HFSS를 사용하면 안테나 구조에 대한 S-파라미터를 쉽게 확인할 수 있습니다. 이러한 파라미터는 전자기 신호가 안테나로 전파되어 연결된 구성 요소 또는 전송 라인과 상호 작용하는 방식을 설명합니다. 설계자는 S-파라미터를 검토하여 임피던스 매칭, 반사 손실, 대역폭 등 다양한 성능 메트릭을 평가할 수 있습니다. 또한 S-파라미터 분석을 통해 매칭 네트워크와 공급 구조를 최적화하여 안테나 효율과 성능을 향상시킬 수 있습니다.
아래 플롯은 패치 안테나 모델의 입력 반사 손실과 임피던스를 보여주며, 11.59GHz에서 잘 매칭된 공진을 보여줍니다. 임피던스 응답은 스미스 차트에서 볼 수 있으며, 중앙 위치가 임피던스 정합 조건에 해당합니다.
원거리 결과
안테나 패턴 및 이득과 같은 원거리 필드 결과를 확인하면 안테나 엔지니어가 설계의 방사 특성과 방향성을 이해하는 데 도움이 됩니다. HFSS를 사용하면 다양한 2D 및 3D 원거리 플롯과 보고서를 쉽게 생성하여 지향성, 이득, 빔폭, 방사 효율 등 중요한 파라미터를 평가할 수 있습니다. 이 정보는 성능 요구 사항을 충족하도록 안테나 설계를 최적화하는 데 사용할 수 있습니다. 아래 이미지는 전파 방향을 나타내기 위해 패치 안테나 지오메트리에 오버레이할 수 있는 원거리 패턴의 보기를 보여줍니다.
근거리 결과
사용자는 솔루션 도메인 내에서 전자기장 거동을 검사할 수도 있습니다. 이 기능은 전자파가 안테나 구조와 상호 작용하고 주변 환경으로 방사되는 방식에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 사용자는 전기장과 자기장을 크기와 벡터 형식으로 시각화하여 단일 및 다중 피드 안테나가 원하는 편광을 위해 방사파를 생성하는 방식을 파악할 수 있습니다.
HFSS를 사용하면 전자기장 솔루션과 시간 고조파 솔루션의 위상을 애니메이션으로 표시하여 필드 전파 및 상호 작용을 동적으로 시각화할 수 있습니다. 이 기능은 다중 안테나 설계에서 안테나 요소 간의 상호 결합 및 기타 중요한 현상을 이해하는 데 유용합니다. 이러한 전자기장 분포와 애니메이션을 시각화함으로써 사용자는 설계 개선 사항을 파악하고 원하는 성능 목표를 달성하기 위한 정보에 입각한 의사 결정을 내릴 수 있습니다.
아래 이미지는 원형 패치 안테나의 YZ 평면에서 전기장 크기를 보여줍니다. 이미지는 로그 눈금을 사용하여 표시되며, 사용자가 프레젠테이션 및 보고서에 사용할 수 있도록 플롯 모양을 사용자 지정할 수 있는 다양한 표시 옵션이 있습니다. 필드 플롯은 패치 안테나가 주변에서 방사되어 패치를 중심으로 전파를 생성하는 방식을 보여줍니다.
디자이너를 위한 포럼에 참여하기
여러분의 전문 지식은 커뮤니티에 매우 중요합니다. 참여하여 지식을 공유하세요
지금 포럼에 참여하세요업계 최고의 전문가들과 함께 공유하고 배우며 성장하세요.