5G 네트워크는 더 높은 데이터 전송률, 더 큰 용량, 더 넓은 대역폭, 강화된 보안, 낮은 지연 시간을 제공한다.
이러한 변화는 새로운 무선 경험과 제품, 그리고 산업 전반의 변화를 만들 수 있다.
하지만 5G 기술은 네트워크 인프라와 5G 클라이언트 장치 설계자에게 새로운 과제도 함께 제시한다. 특히 핵심 과제는 안테나 시스템과 이 안테나를 클라이언트 제품 또는 네트워킹 플랫폼에 통합하는 과정이다.
5G는 더 높은 데이터 전송률과 대역폭을 확보하기 위해 mmWave 밀리미터파 주파수 대역을 사용한다.
높은 주파수와 함께 beamforming, beam steering, MIMO를 구현해야 하므로 안테나 설계자와 시스템 통합자는 더 복잡한 설계 문제를 다뤄야 한다.
Ansys HFSS는 이러한 안테나 설계 과제를 해결하기 위한 전자기 시뮬레이션 도구이며, Ansys 2020 R2 릴리스에서는 5G 안테나 설계 과제를 겨냥한 기능 개선이 포함된다.
1. 다중 안테나 요소 배열 해석: 3D Component Array
5G mmWave 환경에서는 안테나가 하나의 단일 요소로만 구성되지 않는다. 더 큰 유효 개구면과 안테나 이득을 확보하기 위해 여러 안테나 요소가 배열된 array antenna 구조가 사용된다.
Array antenna는 에너지 또는 정보를 클라이언트 장치 방향으로 조향할 수 있으며, 이를 통해 더 안전하고 높은 처리량의 링크를 제공할 수 있다.
또한 내장 전자장치는 사용자가 네트워크 안에서 물리적으로 이동할 때 동적으로 스캔하고 추적할 수 있다.
정확도나 솔루션 정밀도를 저하시키지 않으면서
메시 생성 및 해석 작업을 더욱 간소화합니다.
Ansys HFSS의 3D Comp Array 기술은 5G mmWave array antenna를 설정하고 효율적으로 해석할 수 있도록 지원한다. 이 기술은 DDM(domain decomposition method)이라는 고급 solver 기술을 사용한다.
또한 반복되는 설계 구조를 활용해 메시 생성과 해석 부담을 줄이면서도 해석 충실도와 정확도를 유지한다.
최근 3D Comp Array 기술은 여러 개의 고유한 unit-cell을 배열 정의에 사용할 수 있도록 인터페이스가 개선된다. 이를 통해 엔지니어는 복잡한 5G 배열 안테나를 더 빠르게 설정할 수 있다.
Ansys 2020 R2에서는 3D Comp Array 기술이 HFSS의 direct matrix solver로 복잡한 array antenna system matrix를 해석할 수 있도록 개선된다.
이 기능은 excitation 또는 element 수가 많아질 때 더 낮은 solution noise floor와 더 빠른 해석 시간을 제공하는 데 목적이 있다.
정확도나 솔루션 정밀도를 저하시키지 않으면서
메시 생성 및 해석 작업을 더욱 간소화한다.
2. Concurrent Assembly Meshing으로 해석 시간 단축
Ansys 2020 R2에서 적용된 또 다른 기능은 Concurrent Assembly Meshing이다. 이 기능은 3D Comp Array 안에 조립된 여러 구성 요소를 병렬 또는 동시 방식으로 메시 생성할 수 있게 한다.
Concurrent Assembly Meshing은 shared HPC와 distributed HPC 리소스를 모두 활용하며, 더 빠른 시뮬레이션을 통해 시간을 절약한다.
5G 안테나 시스템은 단순한 안테나 패턴만으로 구성되지 않는다. PCB, IC 패키지, 커넥터, 하우징, 안테나 요소 등이 함께 배치될 수 있다.
각 구성 요소의 형상과 물리적 특성이 다르기 때문에 동일한 메시 전략을 모든 부분에 적용하면 효율이 떨어질 수 있다.
HFSS에서는 설계의 특정 부분에 맞는 meshing technology를 지정할 수 있다. 예를 들어 HFSS Phi mesher는 PCB와 IC 패키지처럼 층상 구조에 최적화되어 있다.
반면 Tau mesher는 커넥터나 하우징처럼 실제 3D 형상에 더 적합하다. 따라서 설계자는 각 구성 요소의 특성에 맞는 메시 기술을 적용하고, 전체 해석 시간을 줄이면서도 필요한 정확도를 유지할 수 있다.
3. 5G 후처리 자동화: CDF와 Power Density
5G에서는 시뮬레이션 데이터 후처리와 장치 성능 분석도 중요한 과제가 된다. 특히 안테나 배열의 coverage performance를 평가하려면 단순한 단일 방사 패턴만으로는 부족하다.
원문은 CDF(cumulative distribution function) 분석이 client device 또는 networking system에 포함된 5G array antenna의 coverage performance를 판단하는 데 사용된다고 설명한다.
CDF를 사용하면 미리 정의된 scan angle 집합을 기준으로 안테나 배열의 예상 전체 성능을 빠르게 이해할 수 있다.
이 기능은 5G array antenna가 다양한 조향 각도에서 어느 정도의 유효 이득과 커버리지를 확보하는지 평가하는 데 유용하다.
또한 5G client device 설계에서는 Power Density(PD) 자동 추출이 중요하다. 스마트폰이나 헤드셋 같은 5G 클라이언트 장치는 SAR 인증과 관련된 검토가 필요할 수 있다.
이때 사용자가 장치에서 방사되는 에너지에 얼마나 노출되는지를 지정된 거리에서 전자기 Power Density로 정량화한다.
HFSS의 자동화 기능은 PD를 빠르고 효율적으로 분석한다. 이를 통해 설계자는 인증 시험을 통과할 가능성을 미리 판단할 수 있다.
만약 기준을 만족하기 어렵다면 전력 수준을 낮추거나 장치를 다시 설계해야 하는 시점을 더 빨리 파악할 수 있다. 원문은 이 5G 클라이언트 장치 인증 기술이 이미 전자 산업에서 활용되고 있다고 설명한다.
5G 안테나 설계에서 HFSS 기능 개선이 중요한 이유
5G 안테나 설계는 단순히 안테나 하나의 방사 특성을 맞추는 작업이 아니다. mmWave 주파수 대역에서는 안테나 배열, beamforming, beam steering, MIMO, 제품 내부 통합, 사용자 근접 환경, 인증 조건까지 함께 고려해야 한다.
Ansys HFSS의 3D Comp Array는 복잡한 배열 안테나를 효율적으로 해석하는 데 도움을 준다.
Concurrent Assembly Meshing은 복잡한 조립 구조의 메시 생성 시간을 줄이고, Phi mesher와 Tau mesher를 설계 영역별로 적용할 수 있게 한다.
CDF와 PD 자동화는 5G 안테나의 커버리지 성능과 클라이언트 장치 인증 가능성을 빠르게 판단하는 데 활용된다.
즉, Ansys HFSS 5G 안테나 설계 기능은 해석 설정, 메시 생성, 대규모 배열 해석, 후처리, 인증 검토까지 연결되는 워크플로를 강화한다.
결론
5G는 더 높은 데이터 전송률, 더 넓은 대역폭, 낮은 지연 시간, 새로운 무선 서비스를 가능하게 한다.
하지만 이러한 성능을 구현하려면 mmWave 대역, array antenna, beamforming, beam steering, MIMO를 고려한 복잡한 안테나 설계가 필요하다.
Ansys 2020 R2의 HFSS 개선 기능은 이러한 5G 안테나 설계 과제를 해결하기 위한 세 가지 핵심 방향을 제시한다.
첫째, 3D Comp Array 기술은 다중 안테나 요소 배열을 효율적으로 해석한다.
둘째, Concurrent Assembly Meshing은 복잡한 안테나 조립 구조의 메시 생성 시간을 줄인다.
셋째, CDF와 Power Density 자동화는 5G 안테나 성능 평가와 클라이언트 장치 인증 검토를 더 빠르게 수행하도록 돕는다.
결국 Ansys HFSS는 5G 안테나 설계자가 복잡한 mmWave 안테나 시스템을 더 효율적으로 모델링하고, 해석하고, 검증할 수 있도록 지원하는 전자기 시뮬레이션 환경이다.
출처 : Ansys Top 3 New HFSS Features for 5G Antenna Design
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