EM Simulation으로 배우는 RF 회로 설계 – CST, HFSS 실전 활용

목차

1. EM Simulation이란 무엇인가

2. 왜 EM 시뮬레이션이 중요한가

3. 대표적안 EM 시뮬레이션 툴 소개

4. EM Simulation 주요 분석 항목

5. EM 시뮬레이션의 절차

6. CST와 HFSS의 활용 사례

7. EM 시뮬레이션의 한계와 보완점

8. 시장 동향 및 산업 활용도

 

EM Simulation으로 배우는 RF 회로 설계

 

EM Simulation

 

CST, HFSS 실전 활용

1. EM Simulation이란 무엇인가?

EM Simulation(전자기 시뮬레이션)은 고주파 회로 설계 시 전자기장의 분포와 전파 특성을 정밀하게 분석하는 기법이다.
특히 RF 및 마이크로파 회로에서는 파장이 짧고 구조의 미세 변화에도 성능이 민감하기 때문에, EM 시뮬레이션은 회로 설계의 필수 과정으로 자리잡고 있다.

단순한 회로도 기반의 SPICE 시뮬레이션으로는 예측하기 어려운 기생 커패시턴스, 반사, 방사 손실, 누화, 공진 현상 등을 정확히 해석할 수 있는 것이 특징이다.

2. 왜 EM 시뮬레이션이 중요한가?

고주파 설계에서는 물리적 구조와 전자기파 간의 상호작용이 직접적인 성능으로 나타난다. 다음과 같은 경우에서 EM 해석은 매우 중요하다:

• RF 안테나의 방사 패턴 분석
• 패시브 필터의 삽입 손실 및 리턴로스 평가
• 고속 PCB의 신호 무결성 분석 (Signal Integrity)
• EMI/EMC 설계 사전 대응
• PA, LNA 등의 정합 회로 성능 예측

특히 5G 통신, 위성 시스템, 자율주행차 레이더 등에서는 몇 GHz 이상의 주파수를 사용하므로, 수um~mm 단위의 구조까지 정밀하게 해석하는 것이 필요하다.

 

📌 관련 글도 함께 읽어보시면 도움이 됩니다!

[전자기기 기술/마이크로파 및 RF 기술] - RF-MEMS Switches의 원리 – 차세대 고주파 스위치 기술 전망

3. 대표적인 EM 시뮬레이션 툴 소개

1) CST Studio Suite (by Dassault Systèmes)

• 3D 전자기 해석 전문 툴
• Time Domain, Frequency Domain, MoM, FIT 등 다양한 Solver 지원
• 특히 안테나, 커넥터, RF 모듈, EMI 해석에 강점
• 빠른 시뮬레이션 속도와 직관적인 GUI로 인기가 높음

2) HFSS (High Frequency Structure Simulator by Ansys)

• Finite Element Method 기반의 Frequency Domain 해석
• 고정밀 고주파 구조물 분석에 최적
• PCB, 커넥터, 패키지, 고속 인터페이스 해석에 강력함
• IC 패키징, 3D EM Solver, 멀티 피직스 연동 가능

3) 기타 툴

• ADS Momentum: Planar 구조 EM 해석에 특화
• FEKO: 차량, 항공기 외형에 대한 RCS 및 안테나 분석
• Sonnet: 고정밀 패시브 회로 해석에 강점

 

📌 관련 글도 함께 읽어보시면 도움이 됩니다!

[반도체 기술/HBM 및 고대역폭 메모리] - HBM vs GDDR6 – 고성능 메모리의 결정적 차이점 분석

4. EM Simulation 주요 분석 항목

분석, 항목설명

 

S-Parameter (S11, S21 등)	반사 및 전송 손실 측정
임피던스 매칭	전송선로, 포트 간 임피던스 해석
방사 패턴 (Antenna Pattern)	안테나의 방향별 신호 세기 분석
전류 밀도 (Current Distribution)	구조물 내 전류 흐름 시각화
SAR (Specific Absorption Rate)	인체 흡수 전력량 평가 (스마트폰 등)
EMC/EMI 해석	외부 방사파 및 간섭 예측

 

이러한 분석 항목은 RF 회로뿐 아니라 PCB 설계, 패키지 레이아웃, 케이블 인터페이스 등 다양한 고주파 시스템에서 활용된다.

5. EM 시뮬레이션의 절차

(1) 3D 구조 모델링

• CAD 혹은 내장된 구조 생성기로 모델링
• 금속 구조, 유전체, 공진기, 접지면 등을 포함
• PCB 파일은 Gerber, ODB++, STEP 등으로 임포트 가능

(2) 재질 설정 및 경계 조건 지정

• 구리, 은, 도전성 접착제 등 금속 재료 지정
• 유전체 재료의 εr, tanδ 등 입력
• 경계면 조건(PEC, PMC, Radiation Boundary) 설정

(3) 포트 정의 및 시뮬레이션 설정

• Wave Port, Lumped Port, Coaxial Port 등 사용
• 주파수 범위, Solver 종류(Time/Freq Domain) 설정

(4) 시뮬레이션 실행 및 후처리

• 메쉬 생성 후 Solver 실행
• S-파라미터, 전자기장, 전류 밀도, 패턴 결과 시각화
• 디버깅 및 구조 최적화 수행

 

📌 관련 글도 함께 읽어보시면 도움이 됩니다!

[전자기기 기술/마이크로파 및 RF 기술] - RF Power Amplifier Design – 고출력 RF 증폭기 구조와 설계 포인트

6. CST와 HFSS의 활용 사례

1) 5G 스마트폰 안테나 설계 (CST)

• Sub-6 GHz 및 mmWave 안테나 구조 시뮬레이션
• PCB 내 안테나와 그라운드 간 간섭 해석
• 방사 이득, 반사 손실, 빔포밍 특성 분석

2) RF 필터 및 커플러 설계 (HFSS)

• Band-Pass Filter 구조 모델링 및 삽입 손실 해석
• Wilkinson Divider, Hybrid Coupler의 정합 특성 시뮬레이션
• 패시브 부품의 S-Parameter 시뮬레이션 정확도 우수

3) 자율주행차 레이더 커버 구조 해석 (CST + FEKO)

• 차량 전면 커버에 따른 Radar Beam 왜곡 분석
• 차량 전체 외형의 전자파 반사(RCS) 분석
• EMI 방출 해석을 통한 부품 차폐 효과 확인

4) 위성 송수신 모듈의 EMC 해석

• 고주파 PCB와 케이블 간 간섭 시뮬레이션
• EMC 규격(CISPR, MIL-STD-461) 충족 여부 사전 예측

 

📌 관련 글도 함께 읽어보시면 도움이 됩니다!

[반도체 기술/HBM 및 고대역폭 메모리] - What is HBM? – 고대역폭 메모리의 미래를 이해하다

7. EM 시뮬레이션의 한계와 보완점

EM 시뮬레이션은 강력하지만, 몇 가지 한계도 존재한다:

• 연산 시간 및 자원 소모 큼 (고해상도 시뮬레이션은 수 시간~수일 소요)
• CAD 모델 복잡성으로 인한 오류 발생 가능성
• 온도, 진동, 열 확산 등 다중 물리 연동은 별도 해석 필요

이를 해결하기 위해 최근에는 AI 기반 자동 최적화, 클라우드 기반 병렬 시뮬레이션, 멀티피직스 연동 솔버 등이 도입되고 있다.

8. 시장 동향 및 산업 활용도

전자기 시뮬레이션 툴 시장은 5G, 위성, 자율주행, 고속 디지털 통신 시장의 확대에 따라 빠르게 성장 중이다.

주요 산업 활용:

• RF Front-End 설계 최적화
• 패키지 기반 RFIC 성능 해석
• 고속 인터페이스 설계 (DDR5, PCIe Gen5 등)
• EMC/EMI 인증 전 사전 검증
• 국방 및 항공기 통신 부품 설계

글로벌 트렌드:

• Dassault Systèmes(CST), Ansys(HFSS), Keysight(ADS), Altair(FEKO) 간 경쟁 치열
• 국내에서도 삼성, LG, 한화, LIG넥스원 등이 대규모 라이선스 도입 중

 

📌 관련 글도 함께 읽어보시면 도움이 됩니다!

[반도체 기술/HBM 및 고대역폭 메모리] - HBM이란? – 고대역폭 메모리 기술의 혁신

결론

EM Simulation은 단순한 도구를 넘어 RF 설계자의 눈과 손을 대신하는 정밀 해석 플랫폼이다.
특히 GHz 이상의 고주파 환경에서는 전자기파의 경로, 누설, 간섭을 실시간으로 예측하고 최적화하는 것이 가능하며,
이는 제품 개발 기간 단축, 품질 향상, 시장 경쟁력 확보에 핵심적인 기여를 한다.

CST, HFSS와 같은 고성능 시뮬레이션 툴은 기술 콘텐츠, 교육, 설계 노하우 전파 측면에서도 매우 수익성 높은 주제이며,
전자기기, 통신, 반도체 설계 분야에서의 전문성 확보에 필수적인 역량이다.