광원추적법 기반 전자파 잔향실의 전자기장 균일도 해석

Abstract

본 논문에서는 전자파 잔향실 (RC: Reverberation Chamber) 내부 시험 영역(WV: Working Volume)에 대하여 전자기장 균일도를 잔향실의 구조, 소스 안테나의 위치 및 방향에 대해 광원 추적법을 기반으로 해석하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 기존의 모멘트법(MOM: Method of Moment)이나 유한요소법(FEM: Finite Element Method)과 같은 수치해석기법 보다 월등하게 빠른 속도로 내부 전자기장 균일도를 계산할 수 있다. 이 방법에 대한 검증을 위해 상용 해석 프로그램을 이용하여 전자파 잔향실의 시험 영역에서 전자기장 균일도(FU: Field Uniformity)를 시뮬레이션 하였고, 이 결과와 제안된 방법을 통해 계산된 전자기장 균일도를 비교하였다. 그 후 시뮬레이션 및 계산에 사용된 실제 전자파 잔향실에서 전자기장 균일도를 측정하여 결과를 검증하였다. 전자파 잔향실은 금속 공진기 형태로 이루어져 있으며, 내부에 모드(mode)를 섞어 전자파의 분포가 통계적으로 균일한 상태를 만드는 것이 목적이다. 이를 위해 기계적 혹은 전기적으로 모드를 섞어주는데, 일반적으로 금속 판을 여러 개 조합하여 만들어진 교반기(Stirrer)가 내부에 배치된다. 또한 내부에서 전자파를 발생시키는 안테나가 배치되며 안테나에서 전자파를 방사할 때 안테나의 방향을 정하는 기준은 없다. 현재까지는 대부분 반사가 많이 될 수 있는 쪽으로, 즉 공진기의 모서리 방향으로 전자파를 방사할 수 있게끔 시험자가 임의로 안테나의 방향을 정하는 상황이다. 전자파 잔향실 내부에 전자기장이 균일하게 형성되기 위한 방법으로 광원 추적법의 경로 추적 알고리즘을 적용하였다. 전자파는 직진하며 금속에 부딪쳤을 때 호이겐스의 원리(Huygens' principle)에 따라 그 점을 기반으로 새롭게 방사하지만, 그 중 주요 진행방향에 대해 반사된 주요 선로만을 선택하여 계산시간을 단축시켰다. 이 방법을 기반으로 시험 영역에서 전자기장 균일도를 측정하는 위치(육면체 체적인 시험영역의 8개의 모서리)를 지나가는 빔을 파악할 수 있으며, 이렇게 파악된 경로의 정보를 통해 금속 평면에 대한 경계조건을 적용하여 대략적인 전자기장의 분포와 전자기장 균일도를 계산하였다. 일반적으로 전자파 잔향실의 크기는 피시험기기 (EUT: Equipment Under Test)가 들어가야 하기 때문에 수 미터(m)단위의 크기를 갖는다. 이 크기는 1GHz아래 대역에서도 파장대비 상당한 크기이며, 이런 환경을 해석하기 위해서는 사용 가능한 최저 주파수(LUF: Lowest Usable Frequency)가 300MHz인 환경에서도 상당한 계산량을 요구한다. 더욱이 CAD(Computer Aided Design) 데이터를 이용하여 시간에 따라 교반기가 움직이는 현상을 해석해야 하기 때문에 매 단계마다 다른 요소를 분할하여 분석해야 한다. 이런 상황에 수치해석 기법을 적용하면 단계별로 상당량의 요소를 할당해야 하기 때문에 모든 단계를 해석하려면 상당한 계산시간을 요구하게 된다. 반면, 광원 추적법을 기반으로 한 제안된 방법을 이용하면 해석영역 내에서 오직 우리가 관심있는 영역을 지나는 광원만을 추적하면 되기 때문에 내부 전자기장의 균일도를 빠르게 파악할 수 있다. 이 방법을 기반으로 설계된 전자파 잔향실에 안테나 소스를 어떤 위치에 어떤 방향으로 배치해야 전자기장의 균일도가 향상되는지 알아 낼 수 있다. 광원추적법에 기반한 제안된 알고리즘의 신뢰성은 그린함수 (Greens function)를 알고 있는 구조의 계산결과와의 비교를 통하여 확보되었고, 실제 3차원 모델의 교반기가 포함된 전자파 잔향실에 적용하여 전자기장 균일도를 해석하였다. 이 계산된 결과와 잔향실에 대한 측정 결과를 비교하여 논문에 제시하였으며, 제안된 알고리즘으로 전자기장 균일도를 기존의 방법 대비 최소 3배이상 빠르게 얻어 낼 수 있음을 확인하였다.

This paper proposes a method to analyze the electromagnetic field uniformity for the internal working volume (WV) of the reverberation chamber (RC) based on the ray tracing method for the structure of the reverberation chamber and the location/direction of the source antenna. The proposed method can calculate the internal electromagnetic field uniformity at least 3 times faster than conventional numerical analysis techniques such as the Method of Moment (MoM) or Finite Element Method (FEM). To verify this method, field uniformity was simulated in the WV of the reverberation chamber using a commercial numerical analysis software, and the results were compared with the field uniformity calculated by the proposed method. After that, the field uniformity was measured in an actual reverberation chamber used for simulation and calculation, and the results were verified. The reverberation chamber is made of a metal resonator, and its purpose is to create a state in which the distribution of electromagnetic field is statistically uniform by mixing modes inside. For this, the modes are mechanically or electrically mixed, and generally, stirrers made by combining several metal plates is placed inside. In addition, there is no standard for determining the direction of the antenna when the antenna radiates electromagnetic waves. Until now, the tester decides the direction of the antenna so that electromagnetic waves can be radiated toward the side where most reflections can occur, that is, toward the edge of the resonation chamber. The path tracking algorithm of the ray tracing method was applied as a method for uniformly forming the electromagnetic field inside the reverberation chamber. Electromagnetic waves travel straight ahead and radiate newly based on the point according to Huygens' principle when hitting a metal, but among them, the calculation time is shortened by selecting only the main lines reflected in the main traveling direction. Based on this method, the approximate electromagnetic field distribution and field uniformity can be calculated by identifying the beams passing through the position (8 corners of the hexahedral test area) where the field uniformity is measured in the working volume. In general, the size of the reverberation chamber has a size of several meters because the equipment under test (EUT) must be inserted. This size is quite large compared to the wavelength even in the environment where the lowest usable frequency (LUF) is 300MHz, and in order to analyze this environment, a considerable amount of calculation is required. In addition, since the computer aided design (CAD) data must be used to analyze the movement of the stirrer over time, elements must be repetitively divided and analyzed at each step. Applying the numerical analysis technique in such a situation requires a considerable amount of computation time to analyze every step because significant amount of element must be allocated for each step. On the other hand, if the proposed method based on the ray tracing method is used, the uniformity of the internal electromagnetic field can be quickly grasped because only the light source passing through the area of interest needs to be tracked. In the reverberation chamber designed based on this method, it is possible to find out whether the field uniformity is improved when the state of antenna source is modified without solving entire region repeatedly. The reliability of the proposed algorithm was secured through comparison with the calculation result of a structure that known the Green's function, and applied to the reverberation chamber including the stirrer of the actual three-dimensional model to determine the field uniformity. The calculated and measured result for the reverberation chamber were compared and presented in the paper, and it was confirmed that the field uniformity can be obtained quickly and accurately with the proposed algorithm.