“과연 우주에는 우리만 존재하는 것일까?” 페코에서 답을 찾다

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스퀘어 키로미터 어레이 프로젝트에 대해..

  아인슈타인의 중요한 이론인 상대성 이론은 최초의 별과 은하가 빅뱅 이후 어떻게 형성되었는지 그리고 암흑 에너지와 우주의 광대한 자기장의 연구 등에 대해 다시 생각하게 되고, “과연 우주에서 우리만 존재하는 것일까?” 라는 고전적인 질문을 던지게 됩니다. 이러한 주제들은 남아프리카, 호주, 캐나다, 중국, 독일, 인도, 이탈리아, 뉴질랜드, 스웨덴, 네덜란드, 영국 등 11개 나라가 회원국으로 속해있으며, 영국에 위치한 조드럴뱅크천문대의 SKA(Square Kilometer Array)조직이 이끄는 스퀘어 키로미터 어레이(SKA) 프로젝트의 과학적 주요 목표 중 일부입니다.

  SKA는 큰 접시모양 반사체부터 개구 안테나까지 다양한 종류의 안테나 집합체입니다. 넓은 범위로 퍼져있는 SKA는 간섭 정렬로 다같이 작동할 것입니다. SKA가 완성이 되면 기존의 어떤 전파 망원경보다 10,000배 빠르고 50배 더 민감하게 작동할 것입니다. 이런 SKA는 두 단계를 통해 만들어질 것입니다.: 단계1(SKA1)은 남아프리카 공화국과 호주에 건설되고 있으며, 2023년에 완성될 예정입니다.; 단계2(SKA2)는 SKA1이 건설된 이후에 시작될 것이며, 아프리카 대륙의 다른 나라에 건설될 예정이고, 호주로도 확장할 예정입니다. 현재 단계1의 공사가 진행 중이며, 이제 몇 년 안에 64-접시 미어캣(MeerKAT)은 190개의 접시모양 반사체와 만나 SKA1 MID와 통합될 예정입니다.

  SKA 완성품은 수만 광년 떨어진 행성의 공항 레이더도 감지할 수 있을 정도로 민감합니다. SKA의 중앙 컴퓨터는 약 1억대의 PC와 동일한 처리능력을 보유하게 되고, SKA의 접시는 글로벌 인터넷의 10배에 해당하는 트래픽을 생성할 것입니다. SKA는 광섬유를 지구 두 바퀴 정도의 양을 감아 설치할 것이고, SKA에 있는 개구 정렬로 글로벌 인터넷 트래픽의 100배에 해당하는 트래픽을 생산할 것입니다.

  스텔른보쉬 대학(University of Stellenbosch)의 연구 관계자들은 전자기 시스템 및 무선 주파수 간섭(RFI) 완화, 두 가지 시스템 모두에 주목하고 있습니다. EMC 계측 연구와 혁신(EMRIN) 그룹의 기드온 위드 박사(Dr Gideon Wiid)와 쿠자 스탠리 오코스(Mr Kuja Stanley Okoth)는 SKA에 대한 전자기 호환성(EMC) 계측 문제에 대해 연구하고 있습니다. EMC 문제는 계획 및 설계단계를 통해 예상되고 고려되며, 프로토타입을 통해 철저하게 측정됩니다. 이런 접근방법을 이용하여 EMC는 전기적, 기계적 설계의 중요한 부분이 됩니다.

2016-02-17  2.00.37▲ 직경 13.5m인
미어캣 안테나의 실제 모습

2016-02-17  2.01.07▲ 미어캣의 중심부 모습

정확한 시뮬레이션으로 RFI 완화가 필요

  케이블에 아무리 적은 양의 전류가 흘러도 인접한 안테나와 다른 시스템의 근접함으로 인해 원치 않는 간섭이 발생할 수 있습니다. 이 간섭 문제를 해결하기 위해서는, 우선 시뮬레이션 또는 측정을 통해 간섭 메커니즘을 파악하고, 케이블의 차폐나 재 라우팅과 같이 개선을 위한 격리 대책을 적용하여 그 영향을 최소화해야 합니다.

  현장에서 무선 주파수(RF) 결합 연구가 요구되지만, 설치가 완료된 후에 연구가 가능합니다. 설계를 하는 동안, 계획 및 전자기(EM) 환경 특징 등에 대한 설치는 축적 모형과 시뮬레이션을 이용해야 합니다.

시뮬레이션으로 본 EM 환경의 특성

  시뮬레이션은 과거에서 현재까지 간섭 특성을 상세하게 연구할 수 있는 유일한 방법입니다. 이 과정에는 전산 전자 모델(CEM)의 광범위한 검증과 무반향실 안에서의 스케일 모델에 대한 측정이 필요합니다.

  구조물과 넓은 스펙트럼의 전기적 크기는, 중요한 전산자원이 필요합니다. 페코(FEKO)의 최첨단 병렬 모멘트(MoM) 솔버가 케이프 타운(Cape Town)에 있는 고성능 연산 센터(CHPC)에서 실행되었고, 며칠 만에 시뮬레이션을 완료했습니다.

너무나 정확한 페코! 이렇게 정확해도 되나?

  RFI 측정은 실제 미어캣을 통해 30-1,000MHz의 작동범위에서 송신 기준 소스(ERS)를 이용했습니다. ERS는, 망원경 근처에서 모든 가능한 RF 커플링을 나타내게 하기 위해 접시로부터 30미터 떨어진 곳에 배치되었습니다. 전달함수의 측정과 시뮬레이션 결과와 RF 소스와 수신기 사이의 결합 계수가 매우 높은 일치율을 보였습니다. 이 검증된 페코 모델은 엄격한 RFI 연구를 수행하고, 매우 민감한 망원경간의 간섭을 최소화하기 위해 설계, 레이아웃, 차폐, 그리고 결합을 제안해줍니다.

2016-02-17  2.01.53▲ 단일 안테나의 페코 모델

2016-02-17  2.02.17▲ 스케일 모델과 페코를 통한
시뮬레이션의 입력포트
반사계수 비교

2016-02-17  2.03.31▲ 실제 현장에 있는
미어캣안테나와
페코시뮬레이션의 비교

  남아프리카 스텔렌보쉬 대학의 E&E 엔지니어링(E&E Engineering) 강사인 지든 위드(Gideon Wiid )박사는 “케이프 타운 CHPC에 페코 설계는, 스텔렌보쉬 대학에서 진행 중인 미어캣 망원경에 대한 RFI 완화 연구에 중추적인 역할을 하고 있습니다. 우리는 축소 접시 모델의 측정을 통해 성공적으로 검증을 했고, EM 유도 전류 경로를 연구하고 SKA 남아프리카에 RFI 완화 권장 사항을 제공하기 위해 페코를 계속 사용합니다.” 말했습니다.

2016-02-17  2.04.20▲ 무향실에서 스케일 모델의 EMC측정

  이 거대한 사업을 통해, 앞으로 다가올 과제들의 해결을 위한 새로운 해법들이 끊임없이 추가되거나 개량될 것입니다. 물리광학(PO), 물리광학회절이론(GTD)과 형상회절이론(GTD)과 같이, 저주파가 제한된 곳에서 기존의 점근적 방식은 적어도 신뢰할 수는 있습니다. 넓은 주파수 범위에서 작동하는 전기적으로 거대한 구조물은, 효율적인 시뮬레이션을 위해 다른 솔버들, 특히 하이브리드된 솔버들의 능력이 꼭 필요합니다. 페코는 RFI 완화와 피뢰에서 유용함을 보여줄 뿐만 아니라 리시버의 설계, 반사체의 초점 위치, 안테나의 전체적 효율을 계산하는데에도 유용하며, 구멍의 막힘, 지지대, 큰 구조의 변형 등과 같은 것들을 효율적으로 고려할 수 있습니다.

2016-02-17  2.00.11“케이프 타운 CHPC에서의 페코 모델링은 RFI완화 연구에 중추적인 역할을 하고 있습니다. 우리는 축소 접시 모델의 측정을 통해 성공적으로 검증을 했고, EM 유도 전류 경로 연구 및 SKA 남아프리카에 RFI 완화 권장 사항을 제공하기 위해 페코를 계속 사용하고 있습니다”


지든 위드 박사(Dr Gideon Wiid),
E & E 엔지니어링 강사(Lecturer, E & E Engineering),
남아프리카 스텔렌보쉬 대학(University of Stellenbosch, South Africa)



* 업종
– 우주항공, 전파 과학

* 과제
– RFI 완화 연구

* 알테어 솔루션
– 페코 – SKA프로젝트의 필수 요소

* 이점
– 미어캣 연구에 시뮬레이션을 사용
– 손쉬운 RFI 계산
– 페코를 이용한 체계적인 분석이 가능

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