Ansys HFSS란?
Ansys HFSS는 High Order FEM 기반의 3D 고주파 전자기장 해석 소프트웨어였다. 모든 주파수에 대응 가능한 3D electromagnetic wave equation 전자계 해석 소프트웨어였다.
Ansys HFSS는 배열 안테나, RF 또는 마이크로웨이브 부품, 고속 인터커넥트, 필터, 커넥터, IC 패키지 및 인쇄 회로 기판과 같은 고주파 전자 제품을 설계하고 시뮬레이션할 수 있었다.
최근에는 HFSS가 통신 시스템, 레이더 시스템, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS), 위성, 사물 인터넷(IoT) 제품과 기타 고속 RF 및 디지털 장치에서 볼 수 있는 고주파 전자기기 설계에 사용되고 있었다.
다이폴 안테나 설계 개요
다이폴 안테나는 두 개의 직선 도선 중앙에 급전하여 동작하는 가장 기본적인 안테나였다. 또한 Omni-directional한 방사 패턴을 갖는 안테나였다.
원문에서는 두 개의 직선 도선 길이가 λ/2 길이를 갖는 반파장 다이폴 안테나에 대해 HFSS를 이용한 시뮬레이션 과정을 설명하였다.
다이폴 안테나 와이어 생성과 급전 포트 설정
반파장 다이폴 안테나의 길이 계산식에 따라 동작 주파수의 λ/4 길이 와이어 2개를 생성하였다. HFSS에서는 Draw > Cylinder를 이용해 와이어를 생성하였다.
생성된 와이어의 매질은 도체로 설정하였다. 설정 경로는 Assign Material > PEC or Copper였다.
이후 급전 포트를 생성하기 위해 와이어 사이에 Sheet를 생성하였다. HFSS는 일반적으로 2D Sheet에 대해 급전이 가능하였다.
생성한 Sheet에는 50Ω Lumped Port를 지정하였다. 설정 경로는 Excitation > Assign > Lumped Port였다.
Radiation Box 생성과 흡수경계조건 설정
HFSS의 Design 환경은 FEM 방식으로 사면체 메쉬를 생성하였다. 따라서 해석하고자 하는 영역을 Airbox로 지정해야 했다.
Airbox 내부에 방사체가 있을 때, 방사되는 전자기파가 Airbox의 경계면에서 반사되지 않도록 하기 위해 흡수경계조건(Absorbing Boundary Condition, ABC) 설정이 필요하였다.
흡수경계조건은 해석하고자 하는 object로부터 일정 거리 이상 떨어져 있어야 했다. 기본적인 흡수경계조건인 Radiation의 경우, λ/4 이상 띄우는 것이 권장되었다.
Box 생성과 boundary condition 설정을 간략화하기 위한 방법으로는 Create Open Region을 이용할 수 있었다. 이 기능을 사용하면 동작 주파수와 흡수경계조건을 선택하는 것만으로 boundary box를 쉽게 생성할 수 있었다.
설정 경로는 HFSS > Model > Create Open Region이었다.
Solution Setup과 Frequency Sweep 설정
마지막으로 Solution Setup을 설정하였다.
Solution Setup의 Frequency에는 다이폴의 공진주파수를 입력하였다. 이후 Frequency Sweep 범위를 설정하였다.
모든 설정이 끝나면 Validate로 error를 체크한 후, Analyze로 해석하였다.
HFSS 해석 결과 확인
해석 후에는 Results 탭에서 해석 결과를 확인할 수 있었다.
Radiation pattern은 HFSS > Radiation에서 구좌표계를 정의하고, 설정된 범위 안에서 확인할 수 있었다.
결론
Ansys HFSS는 고주파 전자기장 해석을 위한 3D 전자계 해석 소프트웨어이다.
원문에서는 HFSS를 활용해 반파장 다이폴 안테나를 설계하는 과정을 설명하고 있다. 주요 과정은 λ/4 길이의 와이어 2개 생성, 도체 재질 설정, Sheet 기반 Lumped Port 지정, Radiation Box 생성, Solution Setup 및 Frequency Sweep 설정, 그리고 Results 탭에서 해석 결과를 확인하는 순서이다.
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