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- 해당 논문은 2024년 한국전자파학회 하계종합학술대회에서 발표되었습니다
위성용 메쉬 안테나 분석을 위한 EM 시뮬레이션
o정희철
*모아소프트
Key Words : mesh antenna, 메쉬 안테나, EM 시뮬레이션, HFSS, LIBC
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I. 서론
최근 위성 통신 시스템의 발전은 고성능 안테나의 필요성을 강조하고 있으며, 특히 메쉬 안테나는 가볍고 유연한 특성으로 인해 우주 환경에서의 사용이 증가하고 있다. 위성용 메쉬 안테나는 궤도에서의 신뢰성과 효율성을 보장하기 위해 정밀한 전자기적 특성 분석이 필수적이다. 이러한 분석은 고주파 전자기 시뮬레이션 도구를 통해 수행될 수 있다.
Ansys HFSS는 복잡한 3D 구조의 전자기적 특성을 해석하는 데 사용되는 강력한 시뮬레이션 소프트웨어로, 메쉬 안테나와 같은 다층 구조의 임피던스를 정밀하게 모델링할 수 있다. 특히, HFSS의 LIBC(Linked Impedance Boundary Condition)는 다층 구조의 경계에서의 임피던스를 정확히 정의하고 해석할 수 있는 유용한 기능을 제공한다. 이는 메쉬 안테나의 설계와 성능 최적화에 중요한 역할을 할 것이다.
Ⅱ. 본론
위성 탑재용 안테나는 무게는 줄이면서 안테나의 성능은 동일하게 유지하여야 한다. 위성 탑재에 적합하도록 안테나의 반사판을 메쉬 구조로 설계하고 상용 EM 시뮬레이션 도구를 이용하여 실제 메쉬 안테나를 제작하기 전에 안테나 설계에 대한 검증이 필요하다[1]. 하지만 EM 시뮬레이션에서 sheet 구조의 반사판 대신에 일정한 격자 간격을 갖는 메쉬 구조의 반사판 안테나를 그대로 시뮬레이션 하게되면 EM 해석 상의 unknown mesh수가 급격히 늘어나 컴퓨팅 리소스가 과도하게 소요되고 해석 시간 또한 급증하게 되는 한계가 발생된다.
본 논문에서는 Ansys HFSS의 LIBC 기법을 이용하여 위성용 메쉬 안테나의 전자기적 특성을 시뮬레이션하고 분석하는 방법을 제시한다. 메쉬 안테나의 구조적 특성에 따른 임피던스를 HFSS LIBC를 활용하여 정확하게 계산하여, 시뮬레이션 결과를 실제 위성 환경에서의 성능과 비교 분석하여 설계의 유효성을 검증하는 것이다. 그림 1은 제안된 위성용 메쉬 안테나 분석에 필요한 단위셀(Unit cell anlysis) 와이어 구조와 단위셀이 적용된 위성용 메쉬 안테나의 구조이다. 안테나 반사판의 직경은 5m 로 설계 되었다.
a) Unit cell wire
(b) LIBC가 적용된 메쉬 안테나
그림 1. 제안된 위성용 메쉬 안테나 EM 시뮬레이션
Ansys HFSS의 LIBC를 이용하여 단위셀(unit cell) 와이어의 임피던스를 계산하고 이를 반사판 안테나에 등가 적용하였다. LIBC가 적용된 반사판의 메쉬 간격은 각각 50×50mm2 와 10×10mm2에 대해 EM 시뮬레이션을 수행하여, sheet metal 구조의 ideal한 반사판 안테나와 비교하였다.
안테나의 이득을 비교해본 결과 50×50mm2, 10×10mm2, sheet metal에서의 realized gain은 각각 27.46dBi, 34.66dBi, 34.62dBi로써, 10×10mm2 간격일 때, sheet metal 구조의 ideal한 반사판 안테나 성능과 매우 유사한 결과에 도달하는 것을 확인하였다.
III. 결론
본 논문에서는 격자구조 메쉬 안테나의 EM 시뮬레이션 수행 및 분석을 위해 HFSS를 이용한 LIBC EM 시뮬레이션 모델을 제안하였다. 실제 위성에 탑재될 메쉬 구조의 반사판 안테나의 격자 간격은 수 mm 이내로 매우 촘촘하여 많은 메모리를 필요로 한다. HFSS의 LIBC 모델을 적용하면 적은 컴퓨팅 메모리를 이용하여 보다 효율적으로 EM 시뮬레이션을 수행할 수 있을 것이다.
메쉬 안테나 분석 EM 시뮬레이션 관련 문의 :
02-6945-2156 / Contact us – (주)모아소프트 (moasoftware.co.kr)
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