1. 미분 방정식의 만병통치약: 그린 함수
계산용 전자파 코드인 NEC(Numerical Electromagnetic Code)[1], [2]는 금속으로 만들어진 선형(linear) 혹은 표면형(surface) 안테나(antenna)를 해석할 수 있는 프로그램이다. NEC는 미 해군(the US Navy)이 지원해서 1970년대부터 포트란(Fortran: IBM 수학 공식 번역 체계, The IBM Mathematical Formula Translating System) 언어를 기반으로 개발되었다. NEC를 만든 전자파 수치 해석 기법은 그린 함수(Green's function)에 바탕을 둔 MoM(Method of Moments)이다.
[그림 1] NEC로 계산한 안테나 특성(출처: wikipedia.org)
NEC를 읽을 때는 엔이시라고 해야 한다. 넥이 아니다. NEC는 개발순서에 따라 NEC, NEC-2, NEC-3, NEC-4 등으로 구분한다. NEC-2는 무료로 사용할 수 있으며 소스 코드(source code)까지 공개되어 있다. NEC-4는 미국 밖에서 상업적으로 쓰려면 하나당 약 165만원[$1,500]을 줘야 한다. 하지만 공짜라고 해서 NEC-2를 아무 프로그램이나 쓸 수 있다는 뜻은 아니다. NEC-2는 GNU GPL(General Purpose License) 2.0을 따르고 있어 내부적으로 NEC-2 소스 코드를 사용하면 그 프로그램의 소스 코드를 반드시 공개해야 한다.
포트란이 아닌 C 언어(C language)에 익숙하다면 NEC2C란 이름을 가진 C 언어로 변환된 NEC-2 소스 코드를 사용할 수 있다. C++ 언어(C++ language)로 된 NEC2++의 소스 코드도 이미 만들어져 포트란으로 작성한 NEC-2와 마찬가지로 GNU GPL 기반으로 배포되고 있다. 소스 코드는 [여기]에서 받을 수 있다. Visual Studio에서 돌리고 싶으면 관련된 프로젝트 파일을 [여기]에서 받아야 한다. 최근에는 다중 처리(multiprocessing)가 가능한 NEC2/MP도 제안되었다. 관련된 설명은 [여기]에서, 실행 파일은 [여기]에서 받을 수 있다. NEC2/MP를 쓰려면 GUI(Graphical User Interface) 프로그램인 4NEC2가 있어야 한다. 4NEC2는 무료로 사용할 수 있으며 [여기]에서 내려받기 할 수 있다. 4NEC2의 사용 설명서를 보면 쉽게 활용할 수 있다.
[그림 2] 4NEC2 주요(Main) 창 실행 모습
4NEC2를 사용할 때 주의할 사항은 다음과 같다.
- 설치시 폴더는 바꾸지 말 것: 폴더를 바꿀 수는 있지만 설치후 4NEC2 프로그램에 들어가서 경로명을 일일이 다시 바꾸어야 함(현재까지는 자동으로 변경되지 않음)
- 메뉴에서 File > Open 4NEC2 In/Out File을 선택해 이미 만들어진 NEC 파일을 불러들임
- 메뉴에서 Calculate > NEC Output-Data를 선택하거나 F7을 눌러 Generate (F7) 창을 실행시킴
- Generate (F7) 창에서 필요한 사항을 선택한 후 Generate 단추를 누름
- 그러면 Pattern (F4) 창에 결과가 나옴
예를 들어 다이폴 안테나(dipole antenna)의 복사 특성을 4NEC2를 이용해 계산해 보자. 메뉴에서 File > Open 4NEC2 In/Out File을 눌러 아래에 제시한 예제 입력 파일인 Example1.nec를 불러오자. 이 파일은 4NEC2에서 제공하는 다이폴 안테나의 예제이다. 그러면 [그림 2]와 같은 창이 얻어진다. Example1.nec는 아래와 같은 NEC 문법으로 작성되어 있다.
[표 1] NEC-2용 다이폴 안테나 예제
| Example1.nec |
|---|
| CM Example 1 : Dipole in free space ' Comment cards CM See GetStarted.txt CE ' End of comment ' GW 1 9 0 -.2418 0 0 .2418 0 .0001 ' Wire 1, 9 segments, halve wavelength long. GE 0 ' End of geometry ' EX 0 1 5 0 1 0 ' Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5. ' FR 0 1 0 0 300 0 ' Set design frequency (300 Mc). ' EN ' End of NEC input |
메뉴에서 Calculate > NEC Output-Data를 선택하거나 F7을 눌러 Generate (F7) 창을 실행하면 [그림 3]과 같은 창을 생성할 수 있다.
[그림 3] 4NEC2 생성(Generate) 창 실행 모습
[그림 4] 4NEC2의 패턴(Pattern) 창 실행 모습
원역장 패턴(Far Field Pattern)을 선택하고 생성(Generate) 단추를 누른다. 그러면 [그림 4]에 있는 다이폴 안테나의 복사 패턴(radiation pattern)을 얻을 수 있다.
[그림 5] 4NEC2의 기하 구조(Geometry) 창 실행 모습
[그림 6] 4NEC2의 3차원 보기(3D Viewer) 창 실행 모습
4NEC2로 작성한 기하구조가 맞는 지 확인하려면 3차원 구조를 보면 된다. 메뉴에서 Window > Geometry를 선택하거나 F3를 누르면 기하 구조(Geometry) 창이 뜨고, 메뉴에서 Window > 3D Viewer를 선택하거나 F9을 누르면 3차원 보기(3D Viewer)가 떠서 쉽게 구조를 확인할 수 있다.
[그림 7] 4NEC2의 3차원 복사 패턴 실행 모습
다이폴 안테나의 복사 패턴을 3차원 형태로 보고 싶으면 [그림 6]의 3차원 보기(3D Viewer) 옆에 있는 콤보 박스(ComboBox)의 Hide Patt.을 Multi-Color로 바꾸면 된다. 그러면 [그림 7]과 같은 멋진 그림을 얻을 수 있다.
[그림 8] 안테나 입력부 특성을 계산하기 위한 생성(Generate) 창 설정
[그림 9] 다이폴 안테나의 반사도 특성
안테나의 반사도(reflection), 안테나 이득(antenna gain), 입력 임피던스(input impedance) 특성을 계산하려면 [그림 3]의 생성(Generate) 창 설정을 [그림 8]처럼 바꾸어야 한다. 다음에 Generate 단추를 누르면 [그림 9]에 있는 결과를 얻을 수 있다.
[참고문헌]
[1] R. Anderson, The Unofficial Numerical Electromagnetic Code (NEC) Archives.
[2] T. Marshall, Numerical Electromagnetics Code (Method of Moments).
[다음 읽을거리]
1. NEC-2의 문법
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