Ansys HFSS를 활용한 PAAS(Phased array antenna systems) 안테나 설계 방법 #1
위상 배열 안테나(Phased array antenna)는 개별 안테나 소자들을 선형 또는 2차원으로 배열하여 구성하며, 개별 안테나 소자에 공급되는 신호의 위상과 진폭을 개별적으로 조정하여 안테나를 기계적으로 회전시키지 않고도 안테나로부터 방사되는 빔을 원하는 방향으로 주사시킬 수 있는 시스템입니다.
PAAS(Phased array antenna systems)안테나는 기존의 안테나와 비교하여 매우 높은 이득(gain)을 제공하며, 다중 경로 간섭(multi-path interference)을 감소시키는 데도 유용합니다. 이는 안테나의 방향성을 제어하여 원하는 신호만 수신하고, 다른 신호는 차단함으로써 가능합니다.
또한, PAAS 안테나는 빠른 스위칭 속도를 가지고 있어 다양한 신호 패턴을 생성할 수 있으며, 이는 높은 데이터 전송 속도를 지원하는 데에도 유용합니다.
PAAS 안테나는 다양한 무선 통신 분야에서 사용될 수 있습니다. 몇 가지 예를 들어보겠습니다.
무선 통신 분야 PAAS(Phased array antenna systems) 안테나 활용사례
위성 통신에서 사용되는 PAAS 안테나
위성 통신에서는 안테나의 방향성이 매우 중요합니다. 지구의 특정 지역으로 전파를 집중시키지 않으면, 전파가 흩어져서 통신이 원활하지 않을 수 있습니다. 따라서, PAAS 안테나를 사용하여 안테나 요소의 위상을 조절하여 원하는 방향으로 전파를 집중시킵니다. 이를 통해 위성과 지상간의 데이터 송수신이 원활하게 이루어질 수 있습니다.
무선 네트워크에서 사용되는 PAAS 안테나
무선 네트워크에서는 안테나의 이득(gain)이 매우 중요합니다. 이득이 높을수록 더 멀리 있는 장치와 통신할 수 있기 때문입니다. 따라서, 높은 이득을 가지는 PAAS 안테나를 사용하여 이를 통해 더 멀리 있는 장치와 통신할 수 있게 됩니다.
PAAS 안테나를 사용하여 5G 통신을 수행할 경우, 안테나 소자들의 개수와 위치, 길이 및 위상 등을 사전에 계획하고 조정합니다. 그리고 이를 통해 안테나가 원하는 방향으로 전파를 집중시켜 데이터를 전송하거나 수신할 수 있습니다.
위상배열안테나(PAAS : Phased array antenna systems)의 유형
위상 배열 안테나의 유형 중 일반적으로 사용되는 네 가지 유형입니다.
- Passive Electronically Steered Array (PESA)
- Active Electronically Steered Array (AESA)
- Digital Beam Forming (DBF)
- Hybrid Beam Forming (HBF)
Ansys HFSS를 활용한 PAAS(Phased array antenna systems) 안테나 설계
Coaxial cable feed 방식을 사용한 4GHz patch antenna를 제작해보았습니다.
제작한 안테나를 array 하기 위해서는 아래 그림과 같이 명시적으로 array를 할 수 있습니다.
이러한 방식으로는 전체 모델을 계산하기 때문에 시간과 컴퓨터 메모리를 많이 필요하게 됩니다.
그리하여 최적화된 설계를 하기 위해서 HFSS의 FA-DDM을 사용합니다.
FA-DDM이란?
Finite Array Domain Decomposition이며 HFSS에서 하나의 단위 셀을 mesh화 및 시뮬레이션 하고 mesh를 다른 array 요소에 복제합니다. 이러한 유한 배열에 특화된 DDM의 이러한 구조를 FA-DDM이라고 합니다.
FA-DDM 의 장점
- 동일한 하드웨어에서 훨씬 더 큰 array 계산이 가능합니다.
- 명시적으로 array 시뮬레이션 한 결과와 일치합니다.
- 대규모 유한 array의 효율적인 시뮬레이션이 가능합니다.
- Primary/Secondary 경계를 사용하여 array를 쉽게 설계, 변경할 수 있습니다.
- Primary/Secondary 경계를 사용하여 단일 안테나를 무한 확장 array 환경에 있는 것처럼 모델링이 가능합니다.
그림5. Primary/Secondary 경계 
그림6. Primary/Secondary 경계를 사용하여 만든 10 X 10 antenna array
FA-DDM와 Explicit 비교
| 시뮬레이션 시간 | |
| FA-DDM | 01:19:12 |
| 명시적 array | 04:01:25 |
FA-DDM을 사용한 array는 더 빠른 시뮬레이션 속도로 명시적으로 array한 결과와 일치함을 확인할 수 있습니다.
또한 아래 그림과 같이 여러가지 모양의 array도 쉽게 설계할 수 있습니다.
지금까지 Ansys HFSS를 사용하여 쉽게 antenna array를 설계 및 시뮬레이션을 하는 방법을 알아보았으며 다음 part에서는 FA-DDM을 사용하여 array antenna를 제작하는 방법을 설명하겠습니다.
