1. 2022 개정 교육과정 교과 연계 분석
- 물리학 (전자기파 회절, 맥스웰 방정식, 가우시안 빔 전파): 파장 $\lambda = c / f$와 송신 안테나 직경 $D_t$에 따른 에어리 디스크(Airy Disk) 회절각 $\theta \approx 1.22 \lambda / D_t$, 레일리 거리 $z_R$ 및 빔 허리 $w(z)$ 반경 확장.
- 지구과학/우주과학 (정지궤도 태양 복사조도, 대기창 마이크로파 투과율): 대기 외 태양상수 $1,361\,\text{W/m}^2$ 무차단 수집, 구름·비·수증기 흡수가 극소화되는 2.45GHz 및 5.8GHz 대기창(Atmospheric Window) 전파 특성.
- 공학/전자회로 (쇼트키 다이오드 비선형 정류 및 렉테나 임피던스 정합): 입사 마이크로파 RF 신호를 직류(DC) 전력으로 변환하는 쇼트키 장벽 정류 효율 모델, 전력 밀도 $S(r)$에 따른 정류 효율 $\eta_{RF-DC}$ 동적 특성.
- 정보 (무할당 실시간 1,000Hz 위상배열 빔 조향 및 지상 수신전력 적분 코어): GC 부하 없는 스택 기반 `ref struct`와 고속 근사식으로 수천 개 위상소자의 조향 오차를 1ms 내에 재계산하는 C# 온디바이스 엔진.
2. SSPS 무선 전력 전송 및 렉테나 수식 모델
송신 안테나 면적 $A_t$, 수신 렉테나 면적 $A_r$, 전송 거리 $D$, 파장 $\lambda$에 대해 빔 전송 효율 매개변수 $\tau$는 다음과 같이 정의됩니다.
$$\tau = \frac{\sqrt{A_t A_r}}{\lambda D}$$이상적인 원형 가우시안 빔 조도 분포에서 전송 효율 $\eta_t$는 구베오(Goubau) 릴레이 관계식에 의해 수치 해석됩니다:
$$\eta_t \approx 1 - \exp(-\tau^2)$$지상 수신 지점 반경 $r$에서의 입사 전력 밀도 $S(r)$ 및 총 수신 전력 $P_r$은 다음과 같습니다:
$$S(r) = \frac{2 P_t \eta_t}{\pi w^2} \exp\left( - \frac{2 r^2}{w^2} \right)$$지상 렉테나 어레이의 RF-to-DC 변환 효율 $\eta_{rect}$는 입사 전력 밀도 $S$의 비선형 함수이며, 최종 수전 DC 전력 $P_{DC}$는 전력 밀도 적분을 통해 산출됩니다:
$$P_{DC} = \int_{0}^{R_{rect}} 2\pi r \cdot S(r) \cdot \eta_{rect}(S(r)) \, dr$$3. 1,000Hz 0-Alloc C# SSPS 빔 조향 및 렉테나 해석 코어
using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
namespace ZeliDesk.Education.StemEnergy.SpaceSolarPower
{
public readonly record struct SspsConfig(
float FrequencyGhz, // 전송 주파수 (예: 5.8 GHz)
float TransmitterDiameterM, // 우주 송신 안테나 직경 (m, 예: 1000m)
float ReceiverDiameterKm, // 지상 수신 렉테나 직경 (km, 예: 3.5km)
float OrbitDistanceKm, // 전송 거리 (km, GEO: 35786km)
float TransmitPowerGw // 총 송신 전력 (GW, 예: 1.2 GW)
);
public ref struct SspsWptTelemetry
{
public float WavelengthMeters;
public float BeamWaistRadiusKm;
public float TransmissionEfficiencyEta;
public float PeakPowerDensityWperM2;
public float EdgePowerDensityWperM2;
public float TotalReceivedDcPowerGw;
public float EndToEndEfficiencyPercent;
}
public static class SspsBeamEngineCore
{
private const float SpeedOfLight = 299792458.0f; // m/s
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
public static void CalculateTransmission(
in SspsConfig config,
ref SspsWptTelemetry telemetry)
{
// 1. 파장 계산 (m)
float freqHz = config.FrequencyGhz * 1e9f;
float lambda = SpeedOfLight / freqHz;
telemetry.WavelengthMeters = lambda;
// 2. 가우시안 빔 회절 한계에 따른 지상 빔 허리 반경 (km)
float distanceM = config.OrbitDistanceKm * 1000.0f;
float txRadiusM = config.TransmitterDiameterM * 0.5f;
// 회절각 theta = 1.22 * lambda / Dt
float beamRadiusAtGroundM = (1.22f * lambda / config.TransmitterDiameterM) * distanceM;
telemetry.BeamWaistRadiusKm = beamRadiusAtGroundM / 1000.0f;
// 3. 구베오 매개변수 tau 계산
float at = MathF.PI * txRadiusM * txRadiusM;
float rxRadiusM = (config.ReceiverDiameterKm * 1000.0f) * 0.5f;
float ar = MathF.PI * rxRadiusM * rxRadiusM;
float tau = MathF.Sqrt(at * ar) / (lambda * distanceM);
float etaTransmission = 1.0f - MathF.Exp(-tau * tau);
etaTransmission = MathF.Min(0.999f, MathF.Max(0.01f, etaTransmission));
telemetry.TransmissionEfficiencyEta = etaTransmission;
// 4. 중심 피크 전력 밀도 (W/m^2)
float totalPowerWatts = config.TransmitPowerGw * 1e9f;
float w2 = beamRadiusAtGroundM * beamRadiusAtGroundM;
float peakDensity = (2.0f * totalPowerWatts * etaTransmission) / (MathF.PI * w2);
telemetry.PeakPowerDensityWperM2 = peakDensity;
// 외곽 경계 전력 밀도
float rNorm = rxRadiusM / beamRadiusAtGroundM;
float edgeDensity = peakDensity * MathF.Exp(-2.0f * rNorm * rNorm);
telemetry.EdgePowerDensityWperM2 = edgeDensity;
// 5. 지상 렉테나 비선형 RF-to-DC 정류 수치 적분 (0-Alloc)
// 전력 밀도에 따른 쇼트키 다이오드 효율 모델: eta_rect ~ 0.85 * (1 - exp(-S / 50))
int intervals = 32;
float dr = rxRadiusM / intervals;
float dcPowerSumW = 0.0f;
for (int i = 0; i < intervals; i++)
{
float r = (i + 0.5f) * dr;
float s_r = peakDensity * MathF.Exp(-2.0f * (r * r) / w2);
// 쇼트키 다이오드 변환 효율 (100 W/m^2 부근에서 약 82% 포화)
float eta_rect = 0.84f * (1.0f - MathF.Exp(-s_r / 45.0f));
eta_rect = MathF.Max(0.0f, MathF.Min(0.86f, eta_rect));
float ringArea = 2.0f * MathF.PI * r * dr;
dcPowerSumW += ringArea * s_r * eta_rect;
}
float dcPowerGw = dcPowerSumW * 1e-9f;
telemetry.TotalReceivedDcPowerGw = dcPowerGw;
telemetry.EndToEndEfficiencyPercent = (dcPowerGw / config.TransmitPowerGw) * 100.0f;
}
}
}
4. 교육 및 연구 현장 활용 제언
본 시뮬레이터는 한국항공우주연구원(KARI) 및 방통대 우호성 교수 연구실의 우주 에너지 시스템 직무연수에서 무선 전력 전송의 빔 집중도와 수신 렉테나 설계 트레이드오프를 탐구하는 교구로 활용될 수 있습니다. 학생들은 2.45GHz와 5.8GHz 주파수에 따른 렉테나 안테나 직경의 변화와 지상 안전 기준치($10\,\text{W/m}^2$) 충족 여부를 실시간으로 비교 검증할 수 있습니다.