Ansys HFSS, SIwave 2025R1 업그레이드

 
Introduction 

Ansys HFSS™ 및 SIwave™ 2025R1 버전에서는 사용자의 편의성과 해석 정확도를 향상시키기 위해 다양한 기능이 업그레이드되었다. 본 호에서는 이러한 신규 기능과 개선 사항을 살펴보고자 한다.

■ 1. HFSS 업그레이드

■ 1) Component Assembly 편의성 증가

이번 25R1에서는 컴포넌트 어셈블리(Assembly)를 위한 주요 기능들이 업그레이드되었다. 기존 어셈블리 과정은 그림 1과 같이 3D 모델인 커넥터와 케이블, PCB를 조립하는 방식으로 이루어졌으며, 사용자는 각 컴포넌트를 적절한 위치에 직접 배치한 후 시뮬레이션을 진행해야 했다. 그러나 이 과정에서 좌표 정렬, 부품 간 연결 관계 설정 등의 불편한 수작업이 필요했으며, 예상된 작업이 올바르게 수행되었는지 확인하는 과정도 번거로웠다. 이러한 불편사항을 개선한 25R1에서 새롭게 개선된 기능들이 기존 방식 대비 얼마나 더 효율적인지에 대해 살펴보도록 하겠다.

그림1. 컴포넌트 어셈블리 과정의 개략도 

■ (1) 좌표계 설정 개선 사항

각 컴포넌트를 어셈블리하는 과정 중 하나의 예시를 살펴보자. 그림2는 해당 과정을 설명한다.

그림2. 좌표계 배치를 통한 컴포넌트의 어셈블리 과정

그림2는 PCB 보드에 커넥터가 장착되고, 커넥터에 케이블이 연결되는 어셈블리 구조를 보여준다. 엔지니어는 각 컴포넌트의 어셈블리를 위해 보드와 컴포넌트 간의 상대적 위치를 고려하여 좌표계를 수동으로 설정해야 했다. 문제는 커넥터의 위치가 조금만 바뀌거나, 보드의 형상이 달라지는 경우 설정한 좌표계를 처음부터 다시 설정해야 하는 번거로움이 존재했다. 그러나 25R1 업그레이드 이후에는 어셈블리 작업을 진행하면서 좌표계를 수정할 수 있도록 개선되었다. 이것으로 엔지니어는 작업 진행 과정에서 예상치 못한 형상 변화가 발생하더라도 즉시 좌표계를 조정하여 문제를 해결할 수 있다. 이를 통해 더욱 유연하고 직관적인 어셈블리 작업이 가능하다.

■ (2) 어셈블리 구조에서 컴포넌트간 네트 연결성 확인

어셈블리 과정에서 컴포넌트 간의 연결성에 대해 검증하는 과정은 필수적이다. 이번 25R1 버전에서는 “Show Nets” 기능이 도입되어, 엔지니어가 어셈블리 과정을 통해 연결된 신호선 도체(Net)를 직관적으로 시각화 할 수 있도록 개선되었다. 이 기능을 활용하면 3D 모델에서 특정 신호선을 선택하는 것만으로 해당 신호선이 물리적으로 연결된 전체 경로가 자동으로 하이라이트 되어 한눈에 확인할 수 있다. 예를 들어, 아래의 그림3처럼 USB의 세번째 Signal Net을 선택하면, 해당 신호가 커넥터에서 PCB까지 어떻게 연결되어 있는지 3D 모델 내에서 즉시 표시된다. 

그림3. “Show Nets” 기능을 통해 연결성 검토

이를 통해 사용자는 어셈블리 과정에서 놓친 연결 오류를 신속하게 감지하고 수정할 수 있으며, 복잡한 PCB 및 커넥터 레이아웃도 빠르고 정확한 검증이 가능하다.

■ (3) 컴포넌트 우선순위 설정

엔지니어는 지금까지의 어셈블리 과정에서 컴포넌트를 배치하고 각 컴포넌트가 올바르게 연결되었음을 확인하였을 것이다. 그러나 컴포넌트를 3D 공간상에 올바르게 배치했더라도, 실제 제품을 조립할 때 발생하는 형상의 조립성을 고려해야 한다. 예를 들어, 커넥터와 케이블이 조립될 때 일부 부품이 서로 겹치는 경우가 발생할 수 있다. 이는 실제 물리적 조립부에서는 부품이 유연하게 변형되어 결합될 수 있지만, 3D 모델링 환경에서는 이러한 조립성을 직접적으로 반영하기 어렵다. 때문에 부품이 서로 겹치는 경우 이를 처리하는 과정이 필요하다. 기존 방식에서는 Boolean 기능을 사용하여 겹치는 부분을 수동으로 제거해야 했으며, 이는 작업을 번거롭게 만드는 요인 중 하나였다. 25R1에서는 컴포넌트의 해석 우선순위를 설정하는 기능이 추가되어, Boolean 기능을 사용하지 않고도 자동으로 해석 우선순위를 지정할 수 있도록 개선되었다. 이제 엔지니어는 세팅 창에서 간단히 우선순위만 지정하면, 커넥터와 케이블 중 어느 쪽을 우선적으로 해석할지를 쉽게 설정할 수 있으며, 이를 통해 Boolean 연산 없이도 부품 간 조립성을 자동으로 반영하여 더욱 효율적으로 작업할 수 있다.

그림4. 우선순위 설정에 따른 Mesh 모습

■ (4) Parallel Mesh Fusion

HFSS는 어떠한 영역에 대한 전자기장을 계산하기 위해 해석 영역을 메쉬로 분할하는 과정이 필요하다. 단일 영역에 대한 메쉬 알고리즘은 많은 방식으로 발전해왔지만, 최근 모델 디자인은 점점 더 복잡하고 3D 컴포넌트가 서로 결합되는 어셈블리 형태로 발전하고 있다. 이에 메쉬 분할을 효율적으로 진행하기 위한 별도의 최적화 과정이 필수적이다. 예로, PCB, 커넥터, 케이블과 같은 다양한 컴포넌트가 포함된 컴포넌트 어셈블리는 um부터 cm까지 물리적 길이의 차이가 큰 스케일을 가지게 되고, 이를 해결하기 위한 것이 메쉬 퓨전(Mesh Fusion)이라는 기술이다. 25R1에서 기존의 메쉬 퓨전 방식에서 발전한 병렬 메쉬 퓨전(Parallel Mesh Fusion) 방식에 대한 내용을 살펴보자. 아래의 이미지는 기존의 메쉬 퓨전 방식과 25R1에서 새롭게 도입된 병렬 메쉬 퓨전 방식의 차이점을 보여준다.

25R1의 새로운 병렬 적응형 메쉬 퓨전(Parallel Adapt Mesh Fusion) 방식은 적응형 메쉬(Adaptive Mesh) 과정에서 기존처럼 컴포넌트 전체 영역을 한 번에 메쉬 분할하는 것이 아니라, 개별 영역에 대해 최적화된 메쉬 작업을 수행하도록 개선되었다. 특히, 이 과정에서 적용된 Virtual Ports 기술은 각 개별 영역에서 최적화된 메쉬 분할 작업이 이루어지면서도 개별 영역 간의 상호 연결성을 유지할 수 있다. 이것으로, 복잡한 어셈블리 모델에서도 불필요한 메쉬의 증가를 방지하면서 해석 속도를 향상시키면서 전체적인 시뮬레이션 정확도를 유지할 수 있다.

■ 2) Antenna Array 및 SBR+ 기능 강화

■ (1) Sparse Array 지원

첫번째로 Sparse Array 기능이 개선되었다. 예로, 그림6과 같이 Circular Array가 있을 때 주변 에어 패딩(Air Padding) Cells을 추가하여 배열의 형태를 조절할 수 있다. 25R1에서 새롭게 업그레이드된 내용으로 Air Cells에 대해 별도로 메쉬 작업을 진행하지 않도록 최적화되었으며, 이것으로 RAM 사용량이 크게 절감된다. 특히, 이 에어 패딩 기능은 배열 가장자리에 대해 한정되지 않고 배열 내부에 배치할 수 있으며, 에어 패딩 영역에 임의의 사용자 구조(Native Geometry)를 추가할 수 있다. 추가적으로 “FEBI Preconditioner” 기능이 추가되어, 활성화 시 3D 컴포넌트 배열 구조에서 해석 속도와 정확도를 향상시킬 수 있다.

그림6. Sparse Array 형상의 예시

■ (2) Multiple Finite Array 기능 강화

25R1에서는 Multiband Composite Subarray 기능이 추가되었다. 이것은 아래 이미지와 같이 여러 개의 Array ANT 가 항공기 표면에 장착된 구조에 대해 SBR+ 시뮬레이션을 수행할 경우, Network Analysis 방식으로 계산했을 때 보다 Composite Subarray 기능을 사용하였을 때 RAM 요구량과 시뮬레이션 시간이 대폭 절감되는 강점을 보인다. 이 기능은 2024 버전에서 처음 도입되었으며, 25R1에서는 멀티밴드(Multiband) 지원까지 확장되었다. 더불어 Multi Array 작업을 원활하고 효율적으로 수행할 수 있도록 여러가지 기능이 개선되었다.

그림 7. SBR+의 Multi Band ANT Array

그림 8. Multi Band의 Lattice Boundary

추가적으로, 유한 배열 빔 각도 계산기(Finite Array Beam Angle Calculator) 기능이 개선되어, 다중 유한 배열 환경에서도 진폭 테이퍼링(Amplitude Tapering)과 빔 조향(Beam Steering)이 가능하도록 지원된다. 배열구조가 서로 접촉되는 경계 문제 또한 25R1에서 허용되도록 개선되는 내용이 존재한다.

■ (3) SBR+ Solver 정확도 향상

25R1에서 SBR+ Solver의 정확도와 해석 효율을 개선하는 다양한 기능이 추가되었다. SBR+ 환경에서도 물질 특성을 효율적으로 반영하기 위해 Impedance Boundary 기능이 추가되고, 물질 특성에 표면 거칠기(Surface Roughness)를 반영하여 산란 해석을 보다 정확하게 수행할 수 있다. 또, GO(Geometrical Optics) 해석 시 Incident Wave에 대한 차폐 기능을 활성화하여 음영 영역에 대한 분석을 보다 정밀하게 수행할 수 있다. 마지막으로, Near Field 해석의 정확도가 향상되었다.

■ 2. SIwave 업그레이드

■ 1) PI Advisor 개선

PI Advisor에서 회로 시뮬레이션을 간단히 하고 해석시간을 단축시킬 수 있도록 업그레이드되었다. PI Advisor의 해석 결과를 기반으로 회로도를 자동으로 생성할 수 있는 기능이 추가되었고, 커플링 캐패시터 (Coupling Capacitor) 분석의 최적화를 자동화하고, PCB의 주파수에 따라 의존적인 임피던스 특성을 반영할 수 있게 되었다.

그림9. 표면 거칠기 기능에 따른 산란 시뮬레이션 필드의 모습

■ 2) Solver Input File 개선

SIwave의 25R1 업그레이드에서 Input File 생성 알고리즘에 개선이 나타났다. 10만개가량의 Net을 포함한 PCB 해석의 경우 Impedance Scan에 걸리는 시간이 대폭 줄고, Transient Solver의 속도가 86배 정도 향상되는 등, 전체적인 Solver의 메모리 문제가 많이 개선되었다. 추가적으로 MCAD Model Export 기능의 성능이 향상되었다.

그림10. GO 차폐 기능 활용에 따른 시뮬레이션 차이

맺음말

지금까지 HFSS와 SIwave의 25R1 업그레이드 내용을 살펴보았다. 이번 업그레이드는 3D 컴포넌트 어셈블리 작업 과정의 효율성을 높이는 데 중점을 두었으며, 이는 공정 제조 기술과 시스템의 발전으로 인해 시뮬레이션 구조가 더욱 복잡해지는 만큼, 정확하고 빠른 해석 속도를 고려한 효율적인 해석이 필수적으로 요구되기 때문이다. 또한, 엔지니어들은 점점 더 복잡해지는 작업을 보다 간편하고 정확하게 수행해야 하며, 이를 지원하기 위해 Ansys 역시 지속적으로 발전해 나갈 것이다. 앞으로도 더욱 향상된 기능이 추가될 것으로 기대해보도록 하자.