3.6 GHz 차세대 RIS, 3비트 위상 제어와 초대역 구현

** 본 연구는 차세대 5G·6G 통신에서 핵심 기술로 부상하고 있는 스마트 라디오 환경(SRE)을 구현하기 위한 재구성 지능형 표면(RIS) 하드웨어를 설계·제작·시험한다. 목표는 3.6 GHz n78 대역에서 1비트와 3비트 두 가지 위상 해상도를 제공하면서, 대형 어레이(수십 ㎡ 규모)로 확장 가능한 구조를 구현하는 것이다. **1. 설계 개요** RIS는 동일한 유닛 셀을 배열한 구조이며, 각 셀은 입사 전파를 수신·전송하는 패치 안테나와 전자 스위치를 포함한다. 안테나는 직사각형 패치 형태를 채택했으며, 패치와 접지면 사이에 5 mm 공기 간격을 두어 대역폭을 넓히고 유전 손실을 최소화하였다. 저비용 FR4 기판(ε_r = 4.9, tan δ = 0.025)을 사용했으며, 두 개의 PCB를 3D 프린터로 제작한 스페이서로 고정해 기계적 견고성을 확보했다. **2. 급전 구조** 전통적인 핀 피드 방식은 인덕턴스가 커서 큰 간격에서 입력 리액턴스가 증가하고, 수작업 조립이 번거롭다. 이를 해결하기 위해 EMI 차폐용 스프링‑컨택트를 사용했으며, 스프링은 패치 반대면에 납땜된 패드와 정전 용량 결합을 형성한다. 이 결합은 시리즈 공진 회로를 이루어 급전 리액턴스를 크게 낮추고, 자동화된 SMT 공정으로 대량 생산이 가능하도록 만든다. **3. 위상 스위칭 회로** - **1‑bit**: SKY A21024 SPDT 스위치를 사용해 두 상태(0°, 180°)를 구현한다. 한 포트를 개방하고 다른 포트를 접지에 연결해 위상 전이를 만든다. - **3‑bit**: SKY13418‑485LF SP8T 스위치를 사용해 8개의 출력 포트에 서로 다른 길이의 마이크로스트립 라인을 연결한다. 라인 길이는 ADS 최적화를 통해 0°, 45°, 90°,…, 315° 위상을 제공하도록 설계되었다. 라인 절반은 개방, 절반은 접지에 연결해 손실을 최소화한다. **4. 모듈형 타일 및 전력** 각 유닛 셀에 RGB LED를 부착해 현재 위상 상태를 시각적으로 표시한다. 4 × 4 셀(3‑bit) 타일과 6 × 6 타일(1‑bit)로 구성된 모듈을 제작했으며, 마이크로컨트롤러를 통해 원격 제어가 가능하다. 전력 소모는 1‑bit 타일당 0.20 mW, 3‑bit 타일당 2.2 mW(스위치 회로만)로, 대규모 어레이에서도 전원 설계가 용이하다. 1‑bit 버전은 24 × 24 셀(≈1.56 ㎡) 어레이를 구현해 576개의 독립 제어 요소를 제공한다. **5. 측정 및 성능** 단일 타일을 금속 기준판과 비교해 반사계수(Γ_RIS)를 측정했다. VNA와 타임게이팅을 이용해 파라미터를 추출했으며, 모든 셀을 동일 위상 상태로 설정해 실험했다. - **1‑bit**: n78 대역 전체에서 최소 반사 손실 –3.5 dB, 위상 차이는 최소 100° 이상 유지. - **3‑bit**: 중심 주파수 3.6 GHz에서 손실 –3.2 dB(대부분), 상태 5에서 –4.3 dB. 전체 대역에서 최악 손실 –5.75 dB. 위상은 설계 목표인 45° 간격을 정확히 재현했으며, 3.6 GHz에서 위상 오차가 최소화됨. **6. 문헌과 비교** 대역폭 평가는