工業技術研究院 資訊與通訊研究所 李偉宇 王棓熲 鍾豐旭 鍾蔿 莊玉如 江蔡旻 陳正中

RIS所建構的可程式化控制無線通訊環境，能夠應用於提升通訊網路安全、感知定位輔助、減少電波輻射汙染與無線傳能等應用，已成為6G深具發展潛力的關鍵技術之一。

前言

近幾年來，可重置智慧反射表面（Reflecting Intelligent Surface，RIS）技術已在國際產學研界獲得廣泛的討論與重視，也是國際通訊大廠積極在研發的技術。無線通訊的現實環境中隨時存在許多不可控因子，例如：多重路徑所導致的通道衰落效應（Fading Effect）、通道損耗（Path Loss）會局限無線通訊的覆蓋範圍以及無線通道中障礙物體或建築物所造成的訊號遮蔽效應等，均會影響使用者通訊品質。因此，若能於無線通訊現實環境中將RIS陣列配置在各種障礙物或屏蔽建築物周圍的表面，將可藉由RIS陣列建構可程式化控制的無線通訊環境，開創新樣態的無線通訊架構，改善現況無線通道中的訊號不可控性[1-5]。另有研究指出，RIS所建構的可程式化控制無線通訊環境，也能夠應用於提升通訊網路安全、感知定位輔助、減少電波輻射汙染與無線傳能等應用，已成為6G深具發展潛力的關鍵技術之一[1-5]。

RIS研究背景與產業需求

RIS陣列是能夠達成無線通訊多樣傳播路徑的核心技術之一，如圖1所示。RIS陣列通常是由大數量客製化設計的電磁單元進行週期排列所組成，藉由改變每一RIS單元上的特性可調元件（振幅、相位、極化或者容感抗特性等）的控制訊號參數，可以動態的控制這些RIS單元的電磁反射特性。因此藉由RIS陣列的大量布建，對無線通訊環境中行進的電磁波進行主動的智能可程式化控制優化。因此RIS陣列能夠實現電磁波訊號傳播／反射方向調控，優化豐富無線通道散射條件來增加無線（Multiple Input Multiple Output，MIMO）通訊系統效能。RIS陣列並能夠進行同相位電磁波訊號疊加來增加無線通訊系統的接收訊雜比，優化各種通訊裝置或通訊設備間的傳輸效能。尤其是針對目前毫米波頻段（mmWave）通訊容易受到障礙物的阻隔而中斷的問題，RIS陣列被預期可以應用於減少無線通訊系統的訊號接收盲區、增加服務基地台邊緣用戶、

圖1 RIS可程式化控制的無線通訊環境，改善現況無線通道中的訊號不可控性之示意圖

改善同頻干擾問題，進而提升無線訊號覆蓋率以及訊號傳輸吞吐量。另有研究指出，RIS所建構的可程式化控制無線通訊環境，也能夠應用於提升通訊網路安全、感知定位輔助、減少電波輻射汙染與無線傳能等應用，已成為6G深具發展潛力的關鍵技術之一[1-5]。

RIS發展現況與技術基礎架構

目前國際間所積極發展的電子元件整合式RIS陣列的基礎架構[4, 6-7]，如圖2所示。其主要組成包含：RIS陣列結構平面、RIS電磁單元（RIS Unit）、RIS控制器／電路（RIS Controller）以及RIS相位控制單元（RIS Phase Controlling Unit）。並大致含括五個不同的分析面向 [4, 6-7]：
1. RIS單元（RIS Unit）的設計：其包括了RIS單元結構所使用的材料／製程選擇、RIS單元與相位控制單元的整合設計／方式／架構以及RIS單元的物理尺寸、結構形狀等設計。經過特性優化調整的RIS單元設計，能夠獨立／同時／協作調控電磁波能量／信號的極化、相位、振幅以及共振頻率響應。
2. RIS單元的週期性排列架構（RIS Array Structure）：藉由設計優化RIS單元的週期性空間排列分布狀態，能夠對電磁波能量實現空間波束成型輻射場型的調控、抑制旁波瓣能量以及抑制格柵波瓣（Grating Lobe）能量的產生等。
3. RIS相位控制單元（RIS Phase Controlling Unit）的設計／元件的選擇：目前國際上所討論熱門的電子元件整合式RIS相位控制單元設計的選擇主要為開關二極體（PIN Diode）元件以及壓控可變電容元件（Varactor），應用於設計實現不同操作頻段範圍的RIS相位控制單元。相位控制單元是RIS陣列實現波束動態變化的核心重要部分，相關相位可變化材料／製程／元件的運作特性、操作原理以及相對於操作波長的物理尺寸等，均對RIS陣列週期結構的覆蓋範圍、控制解 析度以及操作應用情境有非常重要的影響。
4. RIS控制器／電路（RIS Controller）的設計：主要包括RIS相位控制單元陣列狀態的變化控制電路，以及電源供應電路等部分。控制訊號的連結架構可分為有線以及無線連結的方式，並且未來可以基於RIS陣列不同應用情境下的控制協議，實現對於RIS陣列不同工作狀態的隨時同步控制。
5. RIS單元的波束控制策略：包含RIS所有單元陣列集合的控制策略規劃以及RIS單元設計的控制程式編碼策略 [4, 6-7]。

圖2 電子元件整合式RIS基礎架構

另外關於國際間所同步發展的液晶式RIS陣列架構，其架構基礎源自於液晶相控陣列天線技術。液晶相控陣列天線技術的研究已經有超過十年的歷史，目前國際上主要是由德國ALCAN Systems公司[8-10]以及美國Kymeta公司[11-14]分別掌握有多項關鍵液晶相控陣列天線技術應用專利。由於液晶材料可能會帶來較大的射頻能量損耗而導致陣列傳輸效率降低，因此目前仍存在一些大規模商業化應用的瓶頸[15-17]。2023年日本東北大學研究團隊也導入液晶相移器架構[18]，提出一種整合液晶相位變化控制的RIS陣列雛型架構設計，應用於毫米波39 GHz頻段。該項研究模擬分析證明，所設計液晶相位變化控制RIS架構能夠達成連續的相位可變化調整控制範圍，達成空間中兩正交平面的波束掃描控制。

毫米波CMOS晶片整合實現低功耗RIS智慧反射表面設計

由於商用壓控可變電容Varator元件以及PIN Diode元件容易取得及購買，因此過去幾年已有許多相應的RIS陣列設計雛型架構由不同的研究單位提出發表[4, 6-7, 19-24]。由Varactor元件整合實現的RIS單元 [25]，能夠藉由不同的電壓變化，以激發Varactor產生類比型態的連續相位偏移變化[26-28]。然而Varactor元件需要搭配設計額外的電壓控制電路／元件來控制變化不同輸入電壓值，並且可變電容元件的電壓度對電容變化曲線為非線性，因此其相較於PIN Diode元件會增加RIS陣列的射頻前端整體控制系統複雜度以及功耗[29]。

以PIN Diode元件[30-32]設計實現的RIS陣列架構[4, 6-7, 19-24, 33]，其優點為切換速度快、控制電路架構簡單。然而單一顆PIN Diode元件切換操作的最大功耗可達100 mW 以上[30-32]，因此以幾百到上千單元數目的PIN Diode元件整合實現的RIS陣列會累積產生好幾十瓦不可忽視的功率消耗[4, 6-7, 19-24]。除此之外，以單一顆PIN Diode元件整合實現的RIS單元，其僅能達成單一方向的單極化入射能量反射相位控制。因此若要達成具有雙極化反射能量控制的RIS陣列，其每一RIS單元均需要整合至少2顆PIN Diode元件才能達成（其中一顆PIN Diode元件控制水平極化入射波反射能量相位變化，另一顆PIN Diode元件控制垂直極化入射波反射能量相位變化） [19-22, 34]。然而這樣的設計架構[19-22, 34]，其相較於單極化PIN Diode元件RIS陣列，需要付出更加多一倍的功率消耗代價。由於大部分的基站設備均配置正交且雙極化的天線陣列架構，因此開發相應能夠支援雙極化入射波反射能量控制功能的RIS陣列設計於實際產業應用情境具有其必要性。

圖3 低功耗CMOS電容陣列晶片實現的毫米波雙極化RIS陣列雛型架構（1024陣列單元）

相關研究[15-18]中採用液晶製程設計實現的RIS陣列架構，雖然其能夠達成連續的相位變化，並具備低功耗以及較佳的大面積製作優勢。然而液晶材料本身較高移相損耗，容易導致陣列設計整體損耗偏大[15-18]。且因液晶材料的旋轉粘滯特性，所造成的毫秒（ms）級波束切換響應時間問題也是一個需要突破改善的應用瓶頸[15-18]。

綜上所述，為了要能突破相關研究中RIS陣列架構的應用瓶頸。工業技術研究院（以下簡稱工研院）開發一種創新的低功耗毫米波雙極化RIS陣列雛型架構，其採用客製化開發設計的可程式化低功耗CMOS電容陣列晶片，作為每一個RIS陣列單元的反射相位控制元件，每一個CMOS晶片的不同電容狀態切換操作功率消耗僅約1mW，且切換速度快（ 20 s），並能同時支援雙極化反射能量相位控制。圖3所示為該RIS雛型架構以1024陣列單元實現的設計範例，其中每一個方形的結構為RIS陣列單元。工研院開發的可程式化低功耗CMOS電容陣列晶片整合於每一個RIS單元的背面，每一個CMOS電容陣列晶片共設計整合了四組電容陣列電路。其中兩組水平配置的電容陣列應用於支援RIS陣列單元水平極化入射波反射相位控制，而另外兩組垂直配置的電容陣列應用於支援RIS陣列單元垂直極化入射波反射相位控制。因此使得整體RIS陣列能夠達成同時支援雙極化的反射波束方向角度控制。並且所開發CMOS電容陣列晶片整合SPI控制介面，因此能夠支援可程式化的數位控制。此外由圖3可看到，為了降低實際PCB製程製作以及IC打件製程實現的不良率風險，並為了能確保校正優化以及實驗故障替換更新的自由度，因此該RIS陣列設計範例（1024單元）將採用4-Tile組裝架構來實現（每一Tile包含256個RIS陣列單元）。

圖4 CMOS晶片整合1024單元RIS陣列架構設計範例，入射波極化方向為EV的水平面（X-Y平面）反射波能量模擬分析圖。

圖5 CMOS晶片整合1024單元RIS陣列架構設計範例，入射波極化方向為EH的水平面（X-Y平面）反射波能量模擬分析圖。

圖4以及圖5所示為圖3中CMOS電容陣列晶片整合1024單元RIS陣列架構設計範例，分別以同樣遠場入射波角度（Theta 為45度，Phi為0度）但是不同正交入射波極化方向（圖4入射波極化方向為EV，圖5入射波極化方向為EH，EV與EH的極化方向正交）的水平面（X-Y平面）反射波能量模擬分析圖[Ref. HFSS]。圖4以及圖5中由左至右的三個不同RIS陣列反射相位分布範例，均整合所開發CMOS晶片的等效電容狀態一同進行模擬分析，其中藍色方塊單元均為所設計CMOS電容陣列晶片等效最小電容狀態，其中紅色方塊單元均為所設計CMOS電容陣列晶片等效最大電容狀態。 由圖4以及圖5的模擬分析可以看到，在不同的RIS陣列反射相位分極化方向相互正交的入射波（圖4中EV與圖5中EH），均能夠成功被控制達成同樣的反射波束方向角度。圖4與圖5中由左圖至右圖的模擬分析範例中，於水平面（X-Y平面）上的反射能量控制角度分別約為0度、30度，以及60度。

圖6 低功耗毫米波1-Tile 256單元RIS陣列設計的實驗實作雛型。

圖6所示為目前所初步完成圖3中低功耗毫米波1-Tile 256單元RIS陣列設計的實驗實作雛型。該256單元RIS陣列實驗雛型設計操作於毫米波26 GHz頻段n258應用頻段（24.25 GHz-27.5 GHz）中。圖6左上方為256單元RIS陣列PCB（Printed Circuit Board）電路板正反面實作照片，其整體的256單元RIS陣列面積約為8 cm × 8 cm，並且由其背面照片中可以看到，每一個RIS單元均整合連接一顆工研院開發下線製作實現的CMOS電容陣列晶片。圖6最右上方的照片為單一顆CMOS電容陣列晶片操作切換不同電容狀態時的消耗功率，僅約1 mW（0.001 Watt）。圖6中最右下方的圖示為，單一RIS單元於CMOS電容陣列晶片分別切換最大以及最小不同等效電容狀態情況下的RIS單元反射相位實驗量測曲線比較圖。由RIS單元反射相位曲線比較圖中可以看到，若以操作中心頻率25.5GHz來看，在CMOS電容陣列晶片最大與最小不同等效電容狀態下，RIS單元的反射相位變化範圍約為190度。圖6中最左下方的圖示為，該低功耗毫米波1-Tile 256單元RIS陣列設計的實驗實作雛型在適當變化三種不同RIS陣列反射相位電容陣列晶片分布的情況下，256單元RIS陣列於水平面（XY平面）上的反射波束場型方向變化分析範例，其中僅選擇三個代表性的反射方向角度（0度：紅色曲線、30度：綠色曲線，以及60度：藍線曲線）場型來呈現（入射波角度條件均同樣為Theta 為45度，Phi為0度）。由圖6中最左下方的圖示可以看到，藉由適當變化三種不同RIS陣列反射相位分布的情況，能夠成功控制水平面（XY平面）上的反射波束場型方向。

圖7低功耗毫米波1-Tile 256單元RIS陣列設計實驗雛型的初步反射能量OTA S21傳輸實驗

圖7所示為所開發低功耗毫米波1-Tile 256單元RIS陣列設計實驗雛型的初步反射能量OTA（Over the Air）S21傳輸實驗，本實驗中S21為接收端接收功率對發射端傳輸功率之比值（單位dB）。圖7上方為OTA S21傳輸實驗架設圖示說明照片。其中，該256單元RIS陣列擺置於左方（RIS尺寸面積約8 cm × 8cm），所配置發射端的號角天線（圖中Tx Horn Antenna）與256單元RIS陣列間的實驗距離約為0.5 m，並且發射端的號角天線與RIS陣列正前方方向間具有約45度的入射角。所配置接收端的號角天線（圖中Rx Horn Antenna）與256單元RIS陣列間的實驗距離約為2.5 m，並且接收端的號角天線開口直接面對RIS陣列正前方。發射端的號角天線以及接收端的號角天線之饋入端均各自經由50歐姆訊號傳輸線分別連接於向量網路分析儀設備（Agilent N5242A VNA）之訊號埠1（Port1）以及訊號埠2（Port2）。該OTA反射能量傳輸實驗初步選擇兩種不同256單元RIS陣列反射相位分布狀態（RIS ON狀態以及OFF狀態）來進行對照實驗比較，其中RIS ON狀態設計能控制將發射端的號角天線（Tx Horn Antenna）的入射電磁波能量（約水平面45度角入射），反射導向RIS陣列的正前方方向，由距離約2.5 m位置的接收端號角天線（Rx Horn Antenna）接收。該256單元RIS陣列於ON狀態下的每一顆CMOS電容陣列晶片編碼配置狀態（Codebook）呈現於圖7中左下方圖示，其中淺綠色方塊均為CMOS電容陣列晶片切換至其最小等效電容狀態，而深藍色方塊均為CMOS電容陣列晶片切換至其最大等效電容狀態。

在本實驗中，該256單元RIS陣列之不同晶片編碼配置狀態（Codebook）是以筆記型電腦NB結合搭配控制器輸入給RIS陣列。另外RIS OFF狀態則設計能控制將發射端的號角天線（Tx Horn Antenna）的入射電磁波能量（約水平面45度角入射），反射導向約RIS陣列水平面-45度角方向，因此導致接收端號角天線（Rx Horn Antenna）所接收到的能量強度會大幅下降。圖7中間下方所示為本次RIS輔助OTA無線傳輸實驗中，電源供應器設備（Keysight EDU3631A DC Power Supply）所顯示該256單元RIS陣列PCB板端切換不同反射波束方向操作的功率消耗，其僅約0.23 Watt。圖7右下方所示為本實驗中，該256單元RIS陣列於兩種不同RIS ON以及OFF狀態下的量測OTA S21曲線比較實驗數據。由圖7右下方圖示可以看到，以操作中心頻率25.5GHz來看，在RIS ON的狀態下，由於該256單元RIS陣列成功將發射端號角天線的入射能量，成功反射指向接收端號角天線。因此相較於RIS OFF的狀態，RIS ON狀態下的量測OTA傳輸S21接收能量明顯提升了約15 dB 。並且由圖7右下方圖示可以看到，所開發該低功耗CMOS晶片256單元RIS陣列於毫米波26 GHz頻段n258應用頻段可達成超過1.5 GHz的操作頻寬。本研究所開發毫米波低功耗CMOS晶片RIS陣列接續會規劃持續完成更大面積Multi-Tiles RIS陣列的實作與OTA測試驗證，並接續與通訊系統進行整合傳輸效能測試驗證。

結論

工研院成功開發一種創新的低功耗毫米波雙極化RIS陣列雛型架構，其採用工研院客製化開發設計的可程式化低功耗CMOS電容陣列晶片作為每一個RIS陣列單元的反射相位控制元件，每一個CMOS晶片的不同電容狀態切換操作功率消耗僅約1mW，且切換速度快（£ 20 ms），並設計能同時支援雙極化反射能量相位控制。完成 1-Tile CMOS晶片256單元RIS陣列設計雛型的OTA實驗測試，初步驗證該256單元RIS陣列雛型設計切換不同反射波束方向操作的功率消耗僅約0.23 Watt。該256單元RIS陣列設計雛型並驗證於毫米波26 GHz應用頻段（n258）達成超過1.5 GHz的操作頻寬。並在所設計的OTA量測實驗中，驗證藉由控制調整RIS晶片編碼配置狀態（Codebook），能夠成功達成反射能量方向與接收天線位置的對準，因此有效提高接收能量強度。本團隊接續會規劃完成更大面積Multi-Tiles RIS陣列的實作與OTA測試驗證，並持續與通訊系統進行整合傳輸效能測試驗證，其所開發低功耗毫米波雙極化RIS陣列雛型架構，預計可以補上相關研究中Pin Diode整合RIS陣列架構[4, 6-7, 19-24, 34]以及液晶製程RIS陣列架構[15-18]之間的技術缺口，為6G RIS陣列的產業化應用可行性評估提供更多樣化且全面性的技術解決方案。

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