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문제 정의
- 본 글에서는 전자파 해석 소프트웨어에 대하여 간략한 설명과 각 문제해결에 맞는 전자파 해석 소프트웨어를 설명하였다. 안테나 탑재 분석의 예시로 FEKO와 WIPL-D를 소개하였으며, 항공기 RCS 해석 예시로 FEKO, HFSS-IE, WIPLD를 소개하였다.
- 본 글에서는 주어진 환경에서 사용할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어를 소개하여 전자파 분야의 실무자들에게 상황에 맞는 시뮬레이션 소프트웨어를 정하는데 도움이 되기를 바란다.
제안 방법
- Field를 해석한 범위는 [그림 12]에 나타냈다. 건물 상단 시점으로 지면으로부터 1.5 m 높이 field sensor를 위치시키고, 건물영역이 충분히 포함되도록 영역을 설정하고, 이 결과를 이미지로 확인하였다.
- 기본적인 RCS 해석을 확인하기 위하여 아래 그림에 나타나 있는 직사각형을 이용하여 RCS 해석을 진행하였다. 사용된 모델은 1×1×0.
- 다음은 F-35 항공기를 모델링하여 RCS를 진행하였다. 항공기 모델의 재질은 PEC이며, 1 GHz에서의 monostatic RCS를 분석하였다.
- 먼저 기본적인 RCS 해석 정확도를 확인하기 위하여 각기 다른 해석방식을 사용하는 전자파 해석 소프트웨어를 사용하여 RCS 해석 결과 및 해석에 필요한 시간, 자원을 분석하였다. 사용한 전자파 해석 소프트웨어 및 해석 방식은<표 1>과 같다.
- 모델에 사용한 물성정보를 서로 다르게 하여 다섯 가지 경우에 대한 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 내용은 와 같다.
- Direct 해석은 낙뢰가 항공기의 특정 지점에 접촉되었을 때의 영향을 분석하는 것이고, indirect 해석은 낙뢰가 항공기에 직접적으로 접촉하지는 않지만, 낙뢰 지역을 항공기가 통과할 때를 가정하여 낙뢰에 의한 영향을 분석하는 것이다. 본 글에서는 direct와 indirect를 모두 분석하였다
- 본 글에서는 건물 EMP 해석을 세 가지 전자파 해석 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. [그림 10]은 해석에 사용된 원룸 모델을 나타낸다.
- 통상적으로 MLFMM으로 해석이 가능한 저대역 한계선은 100 MHz 정도로 여겨지며, 따라서 그 이하 대역은 MoM 해석을 적용하는 것이 바람직하다. 본 시뮬레이션에서는 이를 감안하여 FEKO 시뮬레이션 파일을 10～30 MHz, 30～100 MHz, 100～200 MHz의 3개의 주파수 구간으로 나누어 서로 다른 시뮬레이션 파일을 사용하였다. 100 MHz 이하 구간에 대해서는 기본 MoM 해석기법을 적용하였으며, 100 MHz 이상의 주파수에 대해서는 MLFMM 해석기법을 적용하였다.
- 사용된 모델은 1×1×0.1 m의 크기를 갖는 box 형태이며, 이 모델에 대한 Monostatic RCS를 분석하였다.
- 본 글에서는 전자파 해석 소프트웨어에 대하여 간략한 설명과 각 문제해결에 맞는 전자파 해석 소프트웨어를 설명하였다. 안테나 탑재 분석의 예시로 FEKO와 WIPL-D를 소개하였으며, 항공기 RCS 해석 예시로 FEKO, HFSS-IE, WIPLD를 소개하였다. 또한, EMP 해석에는 Xfdtd와 EMA3D가 특화되어 있으며, 낙뢰 영향성 분석의 경우, EMA3D가 가장 특화되어 있음을 보여주었다.
- 이 시뮬레이션을 통해서 10 MHz부터 200 MHz까지 10MHz 간격으로 건물 주변의 field 분포를 관측하였다.
- 이와 같은 문제를 해결하기 위해 각각의 전자파 해석 소프트웨어는 자신의 방식대로 수치해석기법을 개량하여 높은 주파수의 RCS를 해석하는 방법을 발전시켜 왔다. 이번챕터에서는 RCS를 도출할 수 있는 전자파 해석 소프트웨어들을 소개하고, 각각의 장단점을 알아본다.
- 항공기 동체 표면을 따라 여러 지점에 Probe를 배치하여 항공기 동체에 유기된 E-field를 확인했다. [그림 21]과 [그림22]는 각 지점에 따른 E-field의 값을 나타낸 것이다.
- 다음은 F-35 항공기를 모델링하여 RCS를 진행하였다. 항공기 모델의 재질은 PEC이며, 1 GHz에서의 monostatic RCS를 분석하였다. FEKO-MoM 방식의 경우, 전기적으로 큰 구조체에 대해서는 해석이 불가하기에 제외하고, FEKOMLFMM, HFSS-IE[8], WIPL-D를 이용하여 전자파 해석을 진행하였다.
- Indirect 해석과 가장 큰 차이는 낙뢰 타격 지점과 낙뢰가 흘러 빠져나가는 지점을 설정하는 것이다. 해당 모델은 내부에 cable을 포함하고 있으며, 이 시뮬레이션을 통해 cable에 유기되는 전류와 동체 표면의 surface current를 관측하였다.
- 해석 주파수는 1 GHz로 Theta 90° cut에 대해 Phi 0～360° 범위로 1° 간격으로 설정하였다.
대상 데이터
- <표 5>는 원룸 모델 해석에 걸린 시간 및 소요메모리를 나타낸다. FEKO와 EMA3D는 해석에 12 core를 사용했고, XFdtd는 GPU 가속기를 사용했다(tesla K 40c). FEKO는 FDTD사용 소프트웨어에 비해 상대적으로 많은 시간과 메모리가 소요되었으며, 이와 같은 결과가 발생한 이유는 10～200MHz라는 광대역 범위의 해석에 FDTD 소프트웨어가 가진 강점이 주요한 원인으로 사료된다.
- 항공기는 전면 레이돔 부분만 유전체로 구성되어 있으며, 나머지 동체는 Perfect electric conductor로 구성되어 있다. 낙뢰지점은 항공기 전면상단 10 m의 거리에 위치했다. 해당 시뮬레이션은 16 core 사용, 해석에 2시간 58분의 시간과 1.
이론/모형
- 본 시뮬레이션에서는 이를 감안하여 FEKO 시뮬레이션 파일을 10～30 MHz, 30～100 MHz, 100～200 MHz의 3개의 주파수 구간으로 나누어 서로 다른 시뮬레이션 파일을 사용하였다. 100 MHz 이하 구간에 대해서는 기본 MoM 해석기법을 적용하였으며, 100 MHz 이상의 주파수에 대해서는 MLFMM 해석기법을 적용하였다.
- 본 글에서는 항공기 낙뢰 해석을 위해서 EMA3D를 시뮬레이션 소프트웨어로 활용하였다. EMA3D는 FDTD(FiniteDifference Time-Domain) 해석 방식을 사용하는 시뮬레이션 소프트웨어로서 낙뢰에 의해 항공기에 발생하는 전자기적 현상을 시간에 따라 해석하기에 적합하다.
성능/효과
- 1～6 GHz 정도의 주파수에서는 WIPL-D와 HFSS-IE가 빠른 시간 내에 결과를 보여주는 것을 확인하였다. 하지만 그 이상의 주파수에서 거대 구조체에 대한 RCS 전자파 해석은 MoM 방식으로는 해석이 불가능하며, PO, GO, Large PO를 이용하여 해석하여야 한다.
- 안테나 탑재 분석의 예시로 FEKO와 WIPL-D를 소개하였으며, 항공기 RCS 해석 예시로 FEKO, HFSS-IE, WIPLD를 소개하였다. 또한, EMP 해석에는 Xfdtd와 EMA3D가 특화되어 있으며, 낙뢰 영향성 분석의 경우, EMA3D가 가장 특화되어 있음을 보여주었다.
- FEKO는 FDTD사용 소프트웨어에 비해 상대적으로 많은 시간과 메모리가 소요되었으며, 이와 같은 결과가 발생한 이유는 10～200MHz라는 광대역 범위의 해석에 FDTD 소프트웨어가 가진 강점이 주요한 원인으로 사료된다. 또한, MLFMM이 사용되지 않았음에도 비교적 고주파인 30～100 MHz에서 많은 시간이 소요된 점이 FEKO의 전체적인 해석시간 증가에 많은 영향을 미쳤다. 철근이 포함된 모델 해석 시, 해석시간과 소요 메모리에 대해서는 <표 6>에 나타냈다.
- 세 프로그램은 모두 필드의 분포 및 전체적인 경향성에서 유사한 특성을 보였다. 또한, 철근의 포함 유무가 차폐에는 큰 영향을 주지 않는 것이 공통적으로 확인되었다. 이와 같은 현상이 발생하는 이유는 건물의 크기가 200 MHz의 주파수를 받아들일 수 있는 충분한 크기의 그라운드가 없기 때문이라고 사료되며, 추후 차폐성능 분석을 목적으로 하는 시뮬레이션의 경우 반드시 그라운드에 대한 환경 설정이 필요함을 알 수 있는 결과이다.
- [그림 13]～[그림 15]는 철근이 미 포함된 분석 모델을, [그림 16]～[그림 18]은 철근이 포함된 분석 모델을 200 MHz에서 각 프로그램별로 관측한 결과이다. 세 프로그램은 모두 필드의 분포 및 전체적인 경향성에서 유사한 특성을 보였다. 또한, 철근의 포함 유무가 차폐에는 큰 영향을 주지 않는 것이 공통적으로 확인되었다.
- 철근이 포함된 모델 해석 시, 해석시간과 소요 메모리에 대해서는 <표 6>에 나타냈다. 철근이 포함된 모델일 경우에도 EMA3D와 XFdtd는 FEKO에 비해 빠른 해석 속도 및 적은 메모리 소요를 보였지만, 철근이 포함됐을 때와 없을 때가 거의 차이가 없는 EMA3D와 차이가 상대적으로 작은 FEKO에 비해 XFdtd는 철근의 포함 여부로 인해 해석시간이 9배 가까이 증가하는 것을 나타냈다.
- 각 시뮬레이션 결과는 크게 다르지 않은 것이 확인되었다. 하지만 FEKO의 경우, 시뮬레이션 자원상의 문제로 case5의 결과를 도출하는데 실패했다(본 글에서는 물리적으로 구현된 형상만을 시뮬레이션하였기 때문에, 유전체 해석에 약한 MoM을 사용하는 FEKO로 결과를 얻는데 실패했지만, FEKO는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 하이브리드 해석기법을 지원하고 있으며, 다양한 방법을 이용하여 문제를 해결하는 것이 가능하다는 점을 알려둔다).[그림 7]에서 확인할 수 있듯이 간단한 구조체에 대한 RCS 해석 결과는 모든 소프트웨어가 유사한 것을 확인할 수 있다.
- [그림 9]에서 확인할 수 있듯이 RCS 전자파 해석 결과는 전자파 해석 소프트웨어에 상관없이 비슷한 경향성을 보이고 있다. 하지만 전자파 해석 시간은 WIPL-D, HFSS-IE, FEKO-MLFMM 순으로 빠른 것을 확인하였다.
후속연구
- 또한, 철근의 포함 유무가 차폐에는 큰 영향을 주지 않는 것이 공통적으로 확인되었다. 이와 같은 현상이 발생하는 이유는 건물의 크기가 200 MHz의 주파수를 받아들일 수 있는 충분한 크기의 그라운드가 없기 때문이라고 사료되며, 추후 차폐성능 분석을 목적으로 하는 시뮬레이션의 경우 반드시 그라운드에 대한 환경 설정이 필요함을 알 수 있는 결과이다.
- 전자파를 이용한 전자기기 및 전자파로 인해 나타나는 여러 가지 현상들에 관한 연구는 점차 다양해지고 세분화되고 있으며, 전자파 해석 소프트웨어 또한 다양화와 전문화가 진행되고 있다. 향후 전자파 관련 해석 문제는 더욱더 증가할 것이며, 이에 맞춰 고객이 필요한 부분을 반영한 전자파 해석 소프트웨어 또한 발전해 나갈 것이다. 따라서 다양한 전자파 해석 문제를 전자파 해석 소프트웨어 하나로 해결하기에는 점차 어려워질 수 있는 환경에 사용자는 자신이 해결해야할 전자파 문제에 맞는 전자파 해석 소프트웨어를 찾는 것이 중요한 문제로 대두될 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.