[논문 리뷰] Scalable mm-Wave Liquid Crystal Reconfigurable Intelligent Surfaces based on the Delay Line Architecture

Julia Schwarzbeck, Robin Neuder외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 16.

Advanced Antenna and Metasurface Technologies인용 수 0

한 줄 요약

논문은 대역폭이 넓은 60 GHz LC 기반 RIS를 지연선 아키텍처를 사용하여 설계, 제조 및 시험하고, 120에서 750개 요소로 확장하며 빔 스티어링, 대역폭, 전력 및 제조 관련 손실을 분석한다.

ABSTRACT

This paper presents the design, fabrication, and characterization of broadband liquid crystal (LC) reconfigurable intelligent surfaces (RIS) operating around 60 GHz and scaling up to 750 radiating elements. The RISs employ a delay line architecture (DLA) that decouples the phase shifting and radiating layer, enabling wide bandwidth, continuous phase control exceeding 360°, and fast response times with a micrometer-thin LC layer of 4.6 micrometer. Two prototypes with 120 and 750 elements are realized using identical unit cells and column-wise biasing. Measurements demonstrate beam steering over +-60° and -3 dB bandwidths exceeding 9% for both apertures, confirming the scalability of the proposed architecture. On top of a measured nanowatt power consumption per unit cell, aperture efficiencies above 20% are predicted by simulations. While the measured efficiencies are reduced to 9.2% and 2.6%, a detailed analysis verifies that this reduction can be attributed to technological challenges in a laboratory environment. Finally, a comprehensive comparison between the applied DLA-based LC-RIS and a conventional approach highlights the superior potential of applied architecture.

연구 동기 및 목표

• 반도체 기반 튜닝의 전력, 대역폭, 확장성 한계를 해결하여 mm-wave/6G를 위한 대규모 RIS를 촉진한다.
• LC-RIS를 위한 지연선 아키텍처(DLA)를 제안하고 검증하여 위상 변조를 방사 요소와 분리하고 넓은 대역폭과 연속적인 360° 위상 제어를 가능하게 한다.
• 60 GHz 부근에서 작동하는 120- 및 750-요소 LC-RIS 프로토타입의 제조, 측정 및 성능 특성을 시연한다.
• DLA 접근법의 실용성 및 확장성을 평가하기 위해 개구 효율, 전력 소모 및 응답 시간을 평가한다.

제안 방법

• 마이크로미터 두께의 4.6 μm LC 층을 가진 DGS-IMSL(결함이 있는 접지 구조 역마이크로스트립) LC 위상변환기를 사용한다.
• 삼각형 요소 격자 및 열 방식 바이어싱을 갖춘 단위 셀 설계를 구현하여 빔을 구동한다.
• 전압으로 LC 유전율을 바이어스하여 차등 위상 변화를 얻고, 약 60 GHz에서 측정으로 특성을 구분한다.
• 확장성과 성능을 평가하기 위해 두 개의 프로토타입(120 및 750 요소)을 제조한다.
• 측정된 S-매개변수와 해석적 RCS 공식을 사용하여 완전 도전성 금속판에 상대적인 개구 효율을 정의하고 계산한다.
• 대역폭, 위상 제어 및 손실 트레이드오프를 강조하기 위해 DLA-LC-RIS와 공진 요소 아키텍처를 비교한다.

Figure 1: Exemplary outdoor scenario for a RIS [ 13 ] . The different colors in the RIS qualitatively indicate different reflected phase at the radiating elements. LoS: Line of sight. RIS: Reconfigurable intelligent surface.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지연선 아키텍처가 mm-wave LC-RIS에서 넓은 대역폭과 연속 위상 제어를 가능하게 하면서도 낮은 전력 소모를 유지할 수 있는가?
• RQ2 60 GHz에서 개구를 120에서 750 요소로 증가시킬 때 LC-RIS 개념은 얼마나 확장 가능한가?
• RQ3 제조 허용오차(LC 두께 균일성, 층 정합 부정) 가 빔 스티어링, 대역폭 및 개구 효율에 미치는 실용적 영향은 무엇인가?
• RQ4 DLA 기반 LC-RIS가 기존 공진 아키텍처 RIS에 비해 대역폭, 손실 및 응답 시간 면에서 어떤 차이가 있는가?

주요 결과

• ±60°의 빔 스티어링 능력이 120-요소 및 750-요소 프로토타입 모두에서 시연된다.
• -3 dB 대역폭은 두 구경에서 9%를 초과하여 아키텍처의 확장성을 확인한다.
• 각 LC-RIS 요소는 측정 조건에서 약 21.5 nW를 소비하여 단일 요소당 낮은 전력을 시사한다.
• 대형 RIS의 총 응답 시간은 약 250 ms이며, LC 위상 변환기의 온/오프 시간은 각각 약 15 ms 및 72 ms이다; 실험실 제조 허용오차가 더 느린 응답의 주요 원인으로 확인된다.
• 개구 효율은 9.2%(소형)와 2.6%(대형)로 피크이며, 시뮬레이션은 더 높은 효율을 예측한다; 감소는 비이상적인 LC 두께 균일성 및 기판/금속화 정합 부정으로 귀속된다.
• 시뮬레이션은 저손실 재료 및 제조 허용오차 제거 시 개구 효율이 40%를 초과할 수 있는 잠재력을 보여주며, 이 아키텍처의 높은 잠재력을 강조한다.

Figure 2: Design and simulation results of the proposed LC - RIS [ 13 ] . a) Operation principle of the delay line architecture, the unit cell layout and the side view of the LC-RIS. b) Performance of the phase shifter in terms of losses (FoM) and compactness. The red dotted line indicates a compact