다중주파수 운영이 가능한 RIS, FABRIS 제안

초록

본 논문은 주파수에 구애받지 않는 재구성 가능한 지능형 표면(FABRIS)을 제안한다. 각 유닛 셀을 주파수 가변 패치 안테나와 PIN 다이오드 기반 스위칭 회로로 구성해 21.28 GHz와 27.96 GHz 두 대역을 실시간 전환 가능하게 하며, 활성/비활성 제어를 통해 효과적인 요소 간격을 조절한다. 이를 바탕으로 신호‑누설‑대‑노이즈 비율(SLNR)을 최대화하는 최적화 프레임워크를 제시하고, 전파 시뮬레이션과 전자기 전파 해석을 통해 기존 설계 대비 누설 억제와 빔폭 유지에서 우수함을 입증한다.

상세 분석

FABRIS는 기존 RIS가 단일 대역에 고정되는 한계를 극복하기 위해 두 개의 서브 패치 안테나를 하나의 유닛 셀에 통합한다. 내부 서브 패치는 27.96 GHz, 외부 서브 패치는 21.28 GHz에서 동작하도록 설계되었으며, PIN 다이오드의 ON/OFF 상태에 따라 두 서브 패치가 전기적으로 연결되거나 분리된다. 다이오드가 OFF일 때 외부 서브 패치는 매칭 로드에 연결되어 입사 전파를 흡수함으로써 실제 반사 요소 수를 감소시키고, 효과적인 인터‑엘리먼트 간격을 늘린다. 이는 d < λ/2에서 발생하는 상호 결합과 d > λ/2에서 나타나는 격자 로브(그레이팅 로브)를 억제하는 데 핵심적인 역할을 한다.

전송 파라미터 Φ와 활성화 벡터 α를 공동 최적화하는 문제는 SLNR을 목표 함수로 하는 비선형 이진 최적화이다. 저자들은 Φ를 목표 UE의 채널 위상 차에 맞춰 직접 계산하고, α에 대해서는 반정규화된 이진 제약을 연속화한 뒤 반정규화 변수 V = ααᵀ를 도입해 반정규화(SDR)와 이분법(bisection)으로 근사해낸다. 최종적으로 가우시안 랜덤화와 양자화를 통해 이진 해를 복원한다. 이 절차는 활성화된 요소만을 선택해 효과적인 배열 응답을 재구성함으로써 인접 UE에 대한 누설 전력을 최소화하면서 목표 UE에 대한 SNR을 유지한다.

하드웨어 측면에서는 마이크로스트립 라인을 이용해 각 주파수에 대응하는 위상 시프터를 구현한다. 두 주파수에 대해 별도의 라인이 필요하지만, f₁ = k·f₂ (k ∈ ℕ) 관계가 성립하면 하나의 라인으로도 두 주파수의 위상 변환을 동시에 제공할 수 있다. 이는 설계 복잡성을 낮추는 잠재적 방안으로 제시된다.

전파 시뮬레이션 결과는 S₁₁이 두 대역 모두에서 -34 dB 이하로 깊은 최소점을 보이며, 다이오드 ON 상태에서는 27.96 GHz에서, OFF 상태에서는 21.28 GHz에서 최적 매칭이 이루어진다. 10 × 10 배열의 빔패턴은 활성화된 요소만을 선택함으로써 기대되는 메인 로브는 유지하면서 부수적인 누설 로브는 현저히 감소한다. 특히, d = 0.56 λ₁으로 설정했을 때 λ₂에 비해 간격이 작아지는 경우에도 활성화 제어를 통해 상호 결합을 억제한다는 점이 강조된다.

전체적으로 FABRIS는 주파수 가변 안테나와 동적 요소 비활성화를 결합한 새로운 RIS 아키텍처를 제시함으로써, 다중 RAT 환경에서 별도 RIS를 중복 설치해야 하는 비용 문제를 해소하고, 빔폭 제어와 누설 억제라는 두 가지 핵심 성능 목표를 동시에 달성한다는 점에서 의미가 크다.