지난 글에 이어 이번 글에서는 레이더 센서를 개발하는 과정에서 다양한 환경적 요인을 반영한 시뮬레이션으로 성능을 향상시키는 방법에 대해 알아본다.

양면 인쇄회로기판(PCB) 제작 기술에 기반한 77GHz 자동차 레이더 센서를 개발한다고 생각해보자. 자주 사용되는 슬롯형 도파관(waveguide) 구조를 기반으로 하는 토폴로지가 제안되었다고 한다면, 이는 일반적으로 속이 빈 금속 파이프다.

슬롯은 이러한 사각형 파이프의 한 쪽 면에 구멍을 내어 만들어지며, 적절하게 설계되었다면 원하는 각도로 에너지가 집중되면서 효율적으로 방사할 수 있다(이것을 빔포밍이라고 한다).

이러한 경우 도파관의 넓은 측면은 PCB 상단과 하단의 금속 층을 이용하여 구성할 수 있으며, 수직 면은 PCB의 상판과 하판의 금속을 연결시키기 위해 구멍을 뚫고 도금처리한 비아를배열하여 구현할 수 있다. 이러한 방식으로 만들어진 토폴로지를 'Substrate integrated waveguide(SIW)'라고 한다.

슬롯은 도파관 벽에 식각으로 구현하고 에너지를 방사할 수 있다. SIW 구조의 슬롯 방사체를 여러 행으로 배열하고 병렬로 전력을 공급해 2차원적으로 방사를 집중시킬 수도 있다. 안테나가 배열된 넓은 방향으로 전력이 방사되는 각도가 더 좁게 만들어지기 때문이다.

ANSYS HFSS를 사용하면 설계의 단위 셀에서부터 시작하여 슬롯의 위치와 치수를 소프트웨어적으로 최적화할 수 있다. 이러한 단위 셀 설계 방식은 고려해야 할 모든 안테나 토폴로지에 적용시킬 수 있는 점도 특징이라고 할 수 있다.

방사체의 단위 셀 설계를 통해 원하는 주파수에 최적화되면 전체 크기의 어레이를 빠르게 자동으로 배치할 수 있다. 시뮬레이션을 통해 공간으로 방사되는 각도 및 어레이가 전력을 방사하는 효율을 만족시키기 위한 최소한의 셀 수를 결정할 수 있다. 소프트웨어로 단위 셀을 반복 해석하고 완벽한 안테나 어레이 구조를 설계하는 프로세스도 자동화할 수 있다.

성능 요구 사항을 충족하는 배열 안테나 설계가 완료되면 실제로 사용되는 재질과 제조 공정을 고려한 사실적 시뮬레이션을 위해서 제조 세부 사항을 추가하여 시뮬레이션을 실행할 수 있다.

이러한 방식으로 설계된 어레이 안테나를 예상되는 제조 프로세스에 대한 허용 오차를 실험 계획법(DoE)을 수행하여 평가할 수 있다.

센서 안테나 시스템의 초기 설계가 완료되면 패키징과 하우징의 효과를 검토할 수 있는데, 전자 장치의 열화 또는 성능 저하를 유발하는 비, 얼음, 먼지나 기타 금속으로부터 보호하려면 센서가 방수 패키지로 밀폐되는 구조라는 것에 유의해야 한다.

패키징에 금속이 사용되면 어레이에 전자기적 결합으로 방사 성능이 저하될 수 있다. 안테나에 가깝게 위치한 레이돔 및 기타 비금속 패키징도 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향은 실물 프로토타입을 제작하기 전에 시뮬레이션 모델에서 고민해야하는 문제다.

예를 들어, PCB 후면에 센서 디자인의 기계적 견고성과 안전성을 위한 금속 패키징 지지대와 함께 어레이 안테나를 덮는 1mm의 레이돔이 있다고 가정해보자.

이러한 패키징 특성이 시뮬레이션 모델에 반영되어 어레이의 메인 빔의 이득이 약 1dB 감소하여 레이더의 최대 감지 거리가 줄어들었고, 첫 번째 부엽레벨이 약 8dB 증가되어 레이더 신호 처리단에서 될 예상 밖의 방향으로부터 수신되는 잡음성분이 증가하게 된다.

환경적인 요인들도 모듈화된 센서의 성능에 대하여 모델링 및 시뮬레이션을 고려할 수 있다. 이 경우, 물이나 얼음의 얇은 막(0.1mm)을 레이더 패키지 상단에서 적용해 시뮬레이션을 실행해야 한다.

조금 더 많은 물, 두꺼운 얼음 혹은 기타 환경물질을 시뮬레이션에 적용시키면서 센서 성능에 대한 환경 조건의 영향을 파악할 수 있다. 이러한 정보들은 초기 설계에 적절한 마진을 두어 환경 조건을 극복할 수 있도록 활용될 수 있다는 점에서 다양한 장점을 제공한다.

글 : 숀 카펜터(Shawn Carpenter) / 프로덕트 매니저 / 앤시스