타워에 여러 개의 통신 안테나가 있다는 것은 안테나를 최적의 위치가 아닌 곳에 설치해야 할 수도 있음을 의미합니다. 전자기 시뮬레이션을 사용하여 안테나를 설계하고 타워에서 안테나의 위치를 최적화할 수 있습니다. 이 문서에서는 전방향성 손실을 최소화하기 위해 CST Studio Suite의 여러 solver를 결합하여 전방향성 스택형 비콘 안테나 어레이의 설치 위치를 예측하는 방법을 설명합니다.

전방향성 안테나를 타워에 설치 시, 가장 적합한 위치는 구조물의 맨 위쪽입니다. 그래야 안테나가 배치될 때 전방향성 성능을 구현할 수 있기 때문입니다. 하지만 안타깝게도 이 위치에 안테나를 설치하는 것은 현실적으로 불가능한 경우가 많습니다. 일반적으로 마스트에는 동일한 구조물에 여러 개의 안테나가 위치하며, 이러한 안테나 중 일부는 전방향성 특성을 갖습니다. 따라서 전방향성 안테나가 붐에 장착되는 위치에서 타협점을 찾아야 하는 경우가 많습니다. 붐은 인접한 타워 구조가 안테나 전방향성 패턴을 방해하지 않도록 충분히 길도록 설계되었습니다. 많은 시스템이 시스템의 견고성을 높이기 위해 다중 안테나 기술을 사용합니다. 이러한 시스템은 필연적으로 타워 구조물과 안테나 간의 상호 작용이 불가피한 타워 위치에 전방향성 안테나를 설치해야 한다는 요구 사항으로 이어집니다.

이러한 전체 배치 체계 내에서 각각의 안테나는 다양한 빔 모양을 가질 수 있습니다. 종종 안테나 구조에 약간의 전기적 기울기가 제공되어 대부분의 방사선이 지평선 아래에서 발생하게 됩니다. 이러한 방식으로 방사되는 신호의 대부분은 시스템 가입자가 위치한 지역에 있게 됩니다. 최대 범위가 필요한 지역에서 최대 이득이 발생하도록 안테나의 이득 프로파일도 조정됩니다. 이것은 지평선에 있거나 지평선에 매우 가까울 것입니다. 고도 패턴은 특정 고도 각도에서 신호의 끊김을 방지하기 위해 방사 패턴에서 발생하는 영점을 채우는 방식으로 프로파일링되는 경우도 많습니다. 타워의 존재로 인한 방사 패턴의 중단 외에도 이러한 매개변수를 모두 고려해야 합니다. 시뮬레이션은 안테나와 타워 조합의 성능을 고려하기 전에 이러한 요구 사항에 맞게 최적화됩니다.

효과적인 방사 패턴을 결정하기 위해 이러한 안테나 구성을 테스트하거나 시뮬레이션하는 기존 방법을 사용하는 것은 어렵습니다. 안테나와 타워를 함께 테스트하는 것은 표준 안테나 테스트 범위 중 하나에서 실용적이지 않은 경우가 많습니다. 그 이유는 안테나와 타워의 조합으로 형성된 전체 구조가 너무 크고 번거롭기 때문입니다. 또한 안테나 구조의 미세한 디테일로 인해 전체 구조에 엄청난 수의 mesh cell이 발생하기 때문에 모델 체적 이산화에 의한 전체 구조를 시뮬레이션하는 것도 어렵습니다. 이는 결국 시뮬레이션 시간이 엄청나게 길어질 수 있다는 것을 의미합니다.

CST Studio Suite의 Integral equation solver는 비교적 작고 세밀한 구조물(안테나)의 성능을 훨씬 큰 구조물(타워)과 함께 분석하는데 이상적입니다. 이 solver의 surface mesh 특성은 필요한 정확도를 달성하면서 계산 시간을 관리 가능한 수준으로 유지합니다.

 

 

그림 1은 안테나와 타워의 배치를 보여줍니다. 이를 통해 타워 구조물 근처에 전방향성 안테나를 배치하는 방법에 대한 소개를 드리겠습니다.

 

안테나 성능

이 분석을 위해 선택한 안테나는 3.5GHz에서 동작하는 고이득 적층 바이콘 전방향성 안테나입니다. 이러한 안테나는 다른 구조물에서 멀리 떨어진 곳에 설치할 경우 지평선 주변에서 매우 균일한 방사 패턴을 생성합니다. 여기에 사용된 특정 설계는 수평으로 10dBi의 이득을 갖습니다.

 

 

 

그림 2는 단일 안테나 구조를 보여줍니다. 이 안테나는 먼저 Transient solver를 사용하여 시뮬레이션했습니다. 이 특정 어셈블리는 개별 방사 요소의 초기 최적화에 따라 CST Studio Suite에서 설계되었습니다. 먼저 개별 요소를 시뮬레이션하고 원뿔 직경, 원뿔 각도, 상단과 하단 원뿔 요소 사이의 간격을 모두 변경하여 반사 손실 및 방사 패턴에 대한 최적의 특성을 가진 개별 원뿔을 생성했습니다. 이 작업이 최적화된 후 단일 케이블에 부착되어 동축으로 장착된 개별 콘 어레이를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 설계 주파수인 3.5GHz에서 수평 이득과 반사 손실이 최적화되었습니다. 이를 위해 주요 파라미터를 변경할 수 있는 파라미터화된 모델을 설정하고 template based post processing을 사용했습니다. 따라서 이는 어레이 구조에 배치된 개별 방사 요소의 구성이 아닌 안테나 구조의 전체 전자기 시뮬레이션입니다. 따라서 상호 결합으로 인한 모든 효과가 고려됩니다.

 

그림 3. (a)안테나 3D 방사 패턴 (b)안테나 방위각 방사 패턴 (c)안테나 1D 방사 패턴

 

시뮬레이션 결과는 그림 3을 통해 확인할 수 있습니다. 이 안테나 구조가 독립적으로 기존 방식으로 테스트되었을 경우 테스트 범위에서 얻을 수 있는 측정값과 관련이 있습니다. 안테나의 방사 에너지가 수평선에 집중되는 경향을 볼 수 있습니다. 그림 3(b)와 같이 수평선에 대한 방위각 패턴은 모든 방향에서 균일한 반면, 그림 3(c)의 1D 방사 패턴은 수평선에 메인 빔이 있는 사이드 로브 구조를 보여줍니다. 이러한 구조는 두 개의 대칭 평면을 가지며, transient solver를 사용하면 몇 분 이내에 이 구조를 해석할 수 있습니다. 이 안테나에 대해 얻은 결과는 타워가 모델에 추가될 때 Integral equation solver와 함께 사용할 수 있도록 farifeld source로 저장됩니다.

 

타워에 장착된 안테나 분석

위에서 설명한 안테나로 만든 동일한 모델에 타워 구조를 추가하여 확장했습니다. 그림 1에서 모델링한 구조는 4개의 수직 기둥이 그 사이에 버팀목으로 연결된 전형적인 타워 구조임을 알 수 있습니다. 이 구조는 붐을 사용하여 안테나에 연결되었습니다. 이 붐의 길이는 안테나와 타워 구조가 일정하게 유지됨에 따라 다양해졌습니다.

타워에 배치했을 때 안테나의 성능을 정량화하기 위해 template-based post processing을 사용했습니다. 수평으로 자른 단면에서 최대 이득에 대한 1D 결과를 얻은 다음 최대 이득, 최소 이득 및 리플(최대 이득에서 최소 이득을 뺀 값)에 대한 0D 결과를 추출했습니다. 그런 다음 매개변수 “Boomlength”로 지정된 붐의 길이가 변함에 따라 이 값을 플롯했습니다. 모델에서 안테나를 숨겨 제거하고 farfield source는 좌표계 중심에서 일정한 위치를 유지한 반면, 타워의 위치는 “Boomlength” 파라미터를 변경하여 변화시켰습니다. 안테나는 원래 farfield source를 더 간단하게 사용하기 위해 좌표계의 원점에 중심을 두고 만들어졌기 때문에 farfield source를 기계적으로 변환할 필요가 없었습니다.

 

그림 4. “Boomlength” 변화에 따른 안테나 (a)최소 gain (b)최대 gain 결과 (c) gain ripple 결과

 

그림 5. Azimuth 방사 패턴 (a) “boomlength” 변화 (b) “boomlength=5100mm”

 

그림 4는 후처리 0D result template에 의해 정의된 피크 이득 파라미터의 변화를 보여주고, 그림 5(a)는 붐의 길이가 300mm에서 5100mm로 변경될 때 중첩된 방위각 방사 패턴을 보여줍니다. 결과를 살펴보면 300mm는 구조물에 너무 가깝기 때문에 안테나가 적절한 전방향 성능을 발휘할 것으로 기대하기 어렵다는 것과 안테나의 거리를 300mm 단위로 늘릴수록 안테나의 성능이 향상됨을 알 수 있습니다. 보다 명확한 이해를 위해 5100mm(시뮬레이션된 boom의 최대 길이)에서의 방위각 패턴을 그림 5(b)에 표시했습니다.

붐의 길이가 증가함에 따라 전체 어셈블리의 surface 수는 시뮬레이션 시간과 함께 약간 증가했습니다. 그러나 시뮬레이션된 가장 긴 붐 길이(5100mm)의 경우에도 surface 수는 여전히 13,130개에 불과했으며 총 solver 시간은 1분 53초였습니다. 그런 다음 안테나를 숨김 해제하여 안테나를 교체하고 farfield source를 제거한 다음 transient solver로 되돌려 시뮬레이션 진행하였습니다. 이 모델에는 65,767,152개의 mesh cell이 있으며 이 모드에서 해석하는데 7시간 59분 57초가 걸렸지만 결과에는 큰 차이가 없었습니다. 이 시뮬레이션은 Dual Intel Xeon E5620 프로세서와 24GB RAM이 장착된 Dell Precision Westmere 컴퓨터에서 수행되었습니다.

 

결론

타워 근처에 설치된 전방향성 안테나의 경우, 타워가 안테나의 방사 패턴에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 변화를 허용 가능한 수준으로 유지하려면 안테나는 구조물에서 상당히 먼 거리에 배치해야 하며, 이는 예상보다 더 먼 거리에 배치해야 할 수도 있습니다. 신호 레벨의 드롭아웃은 상당히 작은 각도 범위에서 발생하므로 패턴의 변화를 이해하면 이 영역을 신호 강도가 덜 필요한 영역으로 정렬할 수 있습니다. 타워에 장착된 전방향성 안테나는 최악의 조건을 의미합니다. 섹터 안테나가 타워에서 멀리 떨어진 또 다른 타워에 장착된 경우 타워와의 상호 작용이 훨씬 적습니다. 이는 이 시뮬레이션에서 생성된 패턴을 살펴보면 알 수 있는데 타워에서 멀어지는 방향의 신호가 타워 방향보다 훨씬 덜 교란됩니다.

CST Studio Suite의 Integral equation solver를 사용하면 구조의 미세한 세부 사항을 포함하는 대형 전기 구조물의 효율적이고 정확한 모델링이 가능합니다. 구조물의 크기가 커짐에 따라 transient solver보다 integral equation solver를 사용할 때의 이점이 더욱 커졌습니다. 붐 길이가 최대인 경우, 두 solver 간의 속도 향상 계수는 255:1입니다. 타워에 배치된 안테나 구조의 해석은 이 solver에 특히 적합합니다. 더 큰 구조에는 transient solver를 사용하여 엄청나게 많은 양의 메모리와 해석 시간이 필요하지만 integral equation solver를 사용하면 예제에서 시뮬레이션된 것보다 훨씬 더 큰 구조를 시뮬레이션할 수 있습니다.

 

 

References

[1] CST Studio Suite, https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/cst-studio-suite/

 

본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

원본 : https://discover.3ds.com/optimization-reflector-antenna-system?_gl=1*gvs7ov*_ga*MzUzMTM1NjE0LjE3MTA3NDgxNzk.*_ga_DYJDKXYEZ4*MTcxMTA3Mzk1Ni40LjEuMTcxMTA3NDA4MC41Ni4wLjA