Ray-Tracing 해석 기법을 활용한 대형 플랫폼 탑재 안테나의 성능 평가

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- 해당 논문은 2024년 한국전자파학회 하계학술대회에서 발표되었던 논문으로 우수논문상을 수상하였습니다.

Ray-Tracing 해석 기법을 활용한 대형 플랫폼

탑재 안테나의 성능 평가

o김유정*
*모아소프트

Key Words : Ray-Tracing 해석 기법, 안테나, 안테나 커버리지, Coverage, EM 분석 및 최적화, HFSS, SBR+ 기법, IE, 3D MoM 솔버

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Ⅰ. 서론

최근 항공기, 함정, 차량과 같은 대형 시스템의 전자기 (Electromagnetic, EM) 분석 시뮬레이션 수요가 증가하고 있다. 대형 플랫폼에 탑재되는 통신 시스템의 복잡성 및 다양한 주파수 대역을 사용하는 장치들이 늘어남에 따라, 안테나 커버리지(Coverage) 및 간섭 문제를 해결할 필요성이 커지고 있기 때문이다. 이러한 이유로 안테나 성능 해석뿐만 아니라 안테나 장착 및 운용 환경까지 고려한 EM 분석 요구가 증가하고 있다. 특히, 항공기와 같은 대형 플랫폼에 탑재된 안테나의 성능을 신속하고 정밀하게 분석할 수 있어야 한다.

RF 해석 분야에서 수치 해석 기법의 발전이 빠르게 이루어짐에 따라, 광선을 이용한 EM 분석 방식에 대한 관심이 커지고 있다. Ray-Tracing 기법은 전기적 대규모 환경에서 광선을 이용하여 EM 분석을 빠르고 효율적으로 수행한다. 특히 Ansys HFSS의 SBR+(Shooting and Bouncing Ray) 기법은 최소한의 계산 리소스로 대형 플랫폼에 설치된 안테나 성능, 원거리 방사 패턴 및 레이더 신호를 정밀하게 계산할 수 있다.

본 논문에서는 SBR+ 기법을 통해, 안테나 설계와 해석을 포함하여 전체 시스템 분석을 수행한다. 대형 플랫폼에 탑재된 안테나의 성능을 평가하고, 안테나 시뮬레이션 및 운용 환경 해석에 필요한 수치 해석 기법을 비교 분석한다. 특히, L 대역 블레이드 안테나를 탑재하여 커버리지 분석을 진행하고 Ray-Tracing 기법의 유효성을 확인한다.

Ⅱ. 본론

환경적 요인을 고려한 전체 시스템 해석에서 Ray-Tracing의 이점을 확인하기 위해, HFSS의 두 가지 수치 해석 방식을 사용하여 시뮬레이션하였다. 첫 번째 방식은 IE(Integral Equation) 기법이다. 3D MoM(Method of Moments) 솔버를 사용하여 표면에 대해서만 메시(Mesh) 처리를 수행한 후, EM 분석을 진행한다[1]. 전기적으로 큰 문제를 다루는 데 적합하며, 분석에 시간이 오래 걸리지만 높은 정확도를 제공한다. 두 번째 방식은 SBR+ 기법이다. 광선을 이용하는 SBR+ 기법은 계산 리소스를 상대적으로 적게 소모하며 빠른 분석을 가능하게 하여 실시간 운용 환경에서 유용하다.

본 논문에서는 항공기 A300을 플랫폼으로 선정하였으며, L 대역에서 동작하는 안테나를 탑재하여 시뮬레이션을 진행하였다. 플랫폼 탑재 안테나는 L 대역에서 동작하는 블레이드 안테나를 간략화하여 설계하였으며, 그림 1에 나타내었다. 제작한 안테나의 S11은 1 GHz에서 –39.88 dB이고, 실효 이득(Realized Gain)은 3.4 dBi이다. 플랫폼에 안테나를 탑재한 후, IE와 SBR+ 기법을 각각 적용하여 시뮬레이션하였다. 최종적으로 커버리지 분석을 통해 각 기법이 제공하는 결과의 정확도와 분석 속도를 비교하여, 두 수치 해석 기법의 성능과 효율성을 평가하였다.

안테나는 항공기 전방 상부와 후방 상부 두 위치에 장착되며, 그림 1은 안테나 탑재 위치를 나타낸다. 이를 바탕으로 두 가지 시나리오를 정의하였다. Case 1은 IE, Case 2는 SBR+ 기법을 적용하여 커버리지 분석을 수행하였다.

(a) Case 1 (IE)　 (b) Case 2 (SBR+)

그림 3. 커버리지 분석 결과 – 전⋅후방 합성 방사 패턴

그림 2와 3은 커버리지 분석 결과이다. 그림 2는 SBR+ 기법을 사용하여 시뮬레이션한 Case 2의 전⋅후방 3D 방사 패턴을 나타낸다. 전⋅후방 탑재 안테나가 각각 활성화되어 있을 때의 커버리지 분석 결과로, 각 안테나 위치에서 방사 특성을 확인하였다. 그림 3은 Case 1과 Case 2에서 전방 상부 안테나와 후방 상부 안테나가 모두 활성화된 상태의 전⋅후방 합성 패턴이다. 설계한 안테나의 주 방사 범위를 고려하여, 두 케이스 모두 고각 30° ~ 90° 범위의 방사 패턴을 분석하였다. 해당 범위의 0 dBi 이상 조건에서 약 93%의 방사 특성을 확인할 수 있다.

시뮬레이션 소요 시간을 비교하면 IE는 7시간 54분 27초, SBR+는 4분 44초로 SBR+ 기법이 약 100배 이상 더 빠른 것으로 나타났다. 커버리지 분석 결과, 두 기법 모두 유사한 결과를 가졌으나 SBR+ 기법이 훨씬 더 빠른 분석 속도를 제공하였다. 이를 통해 SBR+의 우수성을 확인하였으며, Ray-Tracing 기법을 활용한 EM 분석의 유효성을 검증할 수 있었다.

Ⅲ. 결론

본 논문에서는 Ray-Tracing 기법을 활용하여 대형 플랫폼에 탑재된 안테나의 성능 평가를 수행하였다. IE와 SBR+의 결과는 큰 차이가 없었으나, 시뮬레이션 소요 시간은 SBR+가 약 100배 더 빠른 것으로 나타났다. 두 기법 모두 높은 정확도를 제공하지만, 분석 속도 측면에서는 SBR+ 기법이 현저히 우수하여 Ray-Tracing 기법을 활용한 EM 분석의 유효성을 검증하였다.

본 연구는 대형 플랫폼 탑재 안테나의 성능 평가와 최적화에 중요한 기여를 할 것으로 예상된다. 더하여 향후 다양한 플랫폼의 EM 분석 및 최적화 연구에 유용한 기초 자료로 제공될 수 있을 것이다. SBR+의 적용 범위를 확대하여 더욱 높은 주파수 대역과 전기적으로 큰 대형 플랫폼 환경에서 성능을 평가함으로써, SBR+ 기법이 실시간 운용 환경에서의 신속하고 효율적인 EM 분석 방법으로 자리매김할 수 있을 것으로 보인다.