1901년 설립된미국표준기술연구소 (NIST; National Institute of Standards and Technology)는 미국에서 가장 오래된 물리 과학 연구소 중 하나로 필자는 2015년에 그 곳에서 박사후 연구원 직책을 맡았다. 나는 NIST에서 3년 이상 차세대 5G 네트워크를 지원하는 측정 도구에 대한 초기 작업을 포함한 무선 기술과 관련된 수많은 프로젝트를 수행했다.
나는 NIST에서 근무했던 전 동료들과 볼더시에 있는 콜로라도대학교의 다른 연구원과 최근에 함께 했던 흥미로운 작업을 공유하고자 한다. 이 연구는 수신되는 무선 신호의 방향을 결정할 수 있는 원자 기반 센서를 시연하는 것이었고, 이는 기존 기술이 달성했던 것보다 더 안정적인 통신의 핵심이라고 할 수 있다.
최근 들어 원자 기반 센서가 많은 관심을 끌고 있는데, 지난 수십년 동안 길이(m), 주파수(Hz), 시간(s) 및 질량(kg) 표준과 같은 수많은 원자 기반 측정을 표준으로 채택했다. 이러한 적용과정을 자기장(H) 및 전기장(E) 센서로 확장하는 데 관심이 크게 높아지고 있다.
리드베르크 (Rydberg) 원자는 가장 바깥의 전자가 핵 주위를 매우 높은 궤도에 있는 높은 에너지 상태로 흥분된 원자이며, 외부 무선 주파수(RF) 필드에 대해 민감하게 반응하는 등의 여러 흥미로운 특성을 가지고 있다. 외부 RF 필드에 대한 이러한 원자의 풍부한 공진 응답은 MHz에서 THz까지 광범위한 주파수 범위에서 발생한다.
미 국방고등연구계획국(DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency)의 QuASAR (Quantum-Assisted Sensing and Readout) 프로그램의 후원으로, NIST는 리드베르크 (Rydberg) 원자 기반 RF 전자장 센서 개발에 상당한 진전을 이루었다. 이러한 센서는 RF 필드의 진폭, 편광 및 위상 측정 기능을 포함하여 현재 기술에 비해 많은 장점을 제공한다. 필드 및 변조 신호 감지, 도착 각도 감지(AoA), 벡터 필드, 다양한 파형 특성화, DC ~ THz 감지, 매우 약하거나 매우 강한 필드의 감지와 같은 수많은 어플리케이션이 이 기술에서 나오고 있다.
협업을 통한 도착 각도 계산
NIST는 Ansys와 협력하여 리드베르크 (Rydberg) 원자 기반 센서의 기능을 조사하여 레이더와 통신 산업에서 큰 관심을 받고 있는 인시던트 RF 필드 측정의 도착 각도 (AoA, angle of arrival)를 결정한다. NIST는 전기장 위상 측정을 위해 리드베르크 (Rydberg) 원자 기반 믹서를 사용하는 헤테로다인식 기술을 기술을 개발했다. 원자 기반 믹서는 입력 신호를 받아 다른 주파수로 변환한다. 하나의 신호가 기준으로 사용되는 반면, 두 번째 신호는 더 낮은 주파수로 디튠된다. 믹서는 기본적으로 원자 증기 셀 내부의 서로 다른 두 위치에서 디튠된 신호의 위상을 결정한다. 과학자들은 그 두 장소에서의 위상차를 바탕으로 신호의 AoA를 계산할 수 있다.
제안된 방법의 유효성을 확인하기 위해, NIST는 서로 다른 AoA에 대해 증기 셀 내부의 두 위치에서 위상 차이를 측정했으며, 이를 Ansys HFSS 시뮬레이션 및 이론적 모델과 비교했다. HFSS는 측정 데이터와 이론적 데이터를 효율적으로 일치시키고 측정 설정으로 인한 오류를 해결할 수 있는 매우 정확한 시뮬레이션 도구임이 입증되었다. 원자 증기 셀이 유전체로 만들어졌기 때문에 RF 필드는 셀 내부에 다중 반사를 보일 수 있고 측정된 RF 필드를 교란시키는 정상파를 발생시킬 수 있다. NIST 과학자들은 이론적 모델과의 일치를 개선하기 위해 Ansys HFSS 시뮬레이션을 사용하여 필드 섭동 문제로 인한 원자 기반 센서 응답을 수정했다.
Ansys에서 우리는 시뮬레이션 결과와 측정 결과 간 뛰어난 일치성에 놀라는 연구자들을 끊임없이 만난다. 150년 전에 보편적으로 정확하다는 것이 증명된 Maxwell 방정식은 자동 적응 메슁을 사용하여 Ansys HFSS에서 공식화한 것처럼 결정적으로 정확하다.
이러한 뛰어난 R&D 노력은 현대 레이더 및 무선 통신의 성능을 보장하는 데 도움이 되고 있다. 이 연구와 다른 많은 연구에서 Ansys는 시뮬레이션 도구의 정확성과 가치를 다시 한번 입증한다. 시뮬레이션을 통해 연구자들이 이전보다 짧은 시간 내에 높은 정확도의 결과를 얻을 수 있어 최첨단 기술의 개발을 촉진할 수 있다.
출처 : Ansys NIST: How America’s Authority on Measurements Relies on Ansys HFSS to Calibrate Their Measurements
