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Compact Reconfigurable Intelligent Surface with Phase-Gradient Coded Beam Steering and Controlled Substrate Loss

यह शोध पत्र एक कॉम्पैक्ट, कम लागत वाले 1-बिट पुनर्गठनीय इंटेलिजेंट सरफेस (RIS) को प्रस्तुत करता है जिसे एक अनुकूलित एयर गैप वाले FR4 सबस्ट्रेट पर निर्मित किया गया है, जिसमें एक सरलीकृत PIN-डायोड बायसिंग नेटवर्क और फेज-ग्रेडिएंट कोडिंग है जो 5G n78 बैंड (3.38–3.67 GHz) में ±30° तक मापा गया बीम स्टीयरिंग और 9 dB गेन एन्हांसमेंट प्राप्त करता है।

मूल लेखक: Mahendra Kheti, Debapratim Ghosh, Soumya P. Dash

प्रकाशित 2026-04-07

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Mahendra Kheti, Debapratim Ghosh, Soumya P. Dash

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले, शोर से भरे कमरे में अपने एक दोस्त से बात करने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ बहुत सारे खंभे और दीवारें हैं। आपकी आवाज़ दीवारों से टकराती है, बेतरतीब दिशाओं में उछलती है, और आपके दोस्त तक पहुँचने से पहले ही खो जाती है। रेडियो तरंगों (जैसे 5G) के साथ शहरों या इमारतों के अंदर बिल्कुल ऐसा ही होता है: वे बाधित होती हैं, बिखर जाती हैं और कमजोर हो जाती हैं।

यह शोध पत्र उस समस्या का एक चतुर समाधान प्रस्तुत करता है: रेडियो तरंगों के लिए एक "स्मार्ट मिरर" (Smart Mirror)।

यहाँ बताया गया है कि शोधकर्ताओं ने इस दर्पण को कैसे बनाया, जिसे सरल भाषा में समझाया गया है:

1. समस्या: "डेड ज़ोन" (Dead Zone)

आधुनिक वायरलेस नेटवर्क में, सिग्नल अक्सर बाधाओं (जैसे कंक्रीट की दीवारें या धातु के फर्नीचर) से टकराकर खत्म हो जाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक रीकॉन्फ़िगरेबल इंटेलिजेंट सरफेस (RIS) नामक चीज़ का उपयोग करते हैं। एक RIS को एक विशाल, प्रोग्राम करने योग्य दर्पण के रूप में सोचें। यह केवल प्रकाश को परावर्तित नहीं करता, बल्कि रेडियो तरंगों को परावर्तित करता है। लेकिन एक सामान्य दर्पण के विपरीत जो सब कुछ एक ही दिशा में परावर्तित करता है, यह स्मार्ट दर्पण रेडियो तरंगों को ठीक उसी दिशा में मोड़ सकता है जहाँ आप उन्हें भेजना चाहते हैं, जैसे कि एक लेज़र पॉइंटर जिसे आप अपने दिमाग से निशाना बना सकते हैं।

2. चुनौती: लागत बनाम गुणवत्ता

आमतौर पर, इन "स्मार्ट दर्पणों" को बनाने के लिए महंगे, उच्च-तकनीकी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो ऊर्जा बर्बाद नहीं करती हैं। शोधकर्ता FR4 का उपयोग करना चाहते थे, जो लगभग सभी कंप्यूटर मदरबोर्ड और सस्ते इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाने वाला एक सस्ता, मानक पदार्थ है।

FR4 के साथ समस्या: यह सस्ता तो है, लेकिन रेडियो तरंगों के लिए "स्पंजी" है—यह उन्हें सोख लेता है और गर्मी (हानि) में बदल देता है, जिससे सिग्नल कमजोर हो जाता है।
समाधान: उन्होंने इस सस्ते पदार्थ को महंगे पदार्थ की तरह व्यवहार करने का एक तरीका खोजा।

3. गुप्त नुस्खा: "एयर गैप" सैंडविच (The "Air Gap" Sandwich)

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक भारी, गीला स्पंज (FR4 सबस्ट्रेट) है जो पानी (रेडियो ऊर्जा) को सोख लेता है। यदि आप उस गीले स्पंज को दो सूखे, हवादार परतों के बीच सैंडविच की तरह रख दें, तो पानी उतनी आसानी से अंदर नहीं रिस पाएगा।

नवाचार: टीम ने अपने दर्पण को तीन परतों वाले "सैंडविच" का उपयोग करके बनाया। उन्होंने परतों के बीच एक छोटा सा एयर गैप (हवा का अंतराल) रखा।
यह क्यों काम करता है: रेडियो तरंगें ठोस प्लास्टिक के माध्यम से यात्रा करना पसंद नहीं करतीं लेकिन हवा के माध्यम से यात्रा करना पसंद करती हैं। हवा के अंतराल में अधिक समय बिताकर और "स्पंजी" प्लास्टिक में कम समय देकर, उन्होंने ऊर्जा की हानि को काफी कम कर दिया। इसने उन्हें प्रदर्शन से समझौता किए बिना सस्ते पदार्थों का उपयोग करने की अनुमति दी।

4. "स्विच": तरंगों के लिए छोटे लाइट स्विच

बीम को निर्देशित करने के लिए, दर्पण को यह बदलने की आवश्यकता होती है कि वह सिग्नल को कैसे परावर्तित करता है। शोधकर्ताओं ने दर्पण के हर छोटे वर्ग पर एक छोटा इलेक्ट्रॉनिक स्विच (PIN डायोड) लगाया।

उपमा: एक दीवार की कल्पना करें जो हजारों छोटी टाइलों से ढकी हुई है। प्रत्येक टाइल में एक स्विच है।
- स्विच ON: टाइल तरंग को एक तरफ परावर्तित करती है।
- स्विच OFF: टाइल तरंग को दूसरी तरफ (180 डिग्री घुमाकर) परावर्तित करती है।
विशिष्ट पैटर्न में विशिष्ट स्विचों को चालू और बंद करके, पूरा दर्पण परावर्तित बीम को "झुका" सकता है, ठीक वैसे ही जैसे सूरज की रोशनी पकड़ने के लिए सोलर पैनल को झुकाया जाता है।

5. "दिमाग": सरल और सस्ता

आमतौर पर, इन हजारों स्विचों को नियंत्रित करने के लिए एक बहुत ही जटिल कंप्यूटर मस्तिष्क (FPGA) और उलझे हुए तारों की आवश्यकता होती है।

नवाचार: टीम ने एक साधारण, कम लागत वाले Arduino (एक छोटा, सस्ता माइक्रोकंट्रोलर) और कुछ शिफ्ट रजिस्टरों का उपयोग किया।
परिणाम: उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो बनाने में आसान, बनाने में सस्ता और नियंत्रित करने में सरल है, फिर भी यह सिग्नल को 30 डिग्री तक बाएं या दाएं मोड़ सकता है।

6. परिणाम: एक स्पष्ट कनेक्शन

उन्होंने एक प्रोटोटाइप (इन स्मार्ट टाइल्स का 10x10 ग्रिड) बनाया और एक विशेष कमरे (एनेकोइक चैंबर) में इसका परीक्षण किया जिसे सभी प्रतिध्वनियों (echoes) को सोखने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

बीम स्टीयरिंग: उन्होंने सिग्नल को विभिन्न कोणों पर सफलतापूर्वक निर्देशित किया, जिससे सिद्ध हुआ कि दर्पण काम करता है।
सिग्नल बूस्ट: उन्होंने दिखाया कि इस दर्पण का उपयोग करने से सिग्नल सामान्य दीवार से टकराने की तुलना में 9 डेसिबल अधिक मजबूत (जो स्पष्टता में एक बड़ी छलांग है) हो गया।
वास्तविक दुनिया का परीक्षण: उन्होंने दर्पण के माध्यम से वास्तविक डेटा (QPSK सिम्बल्स, जो डिजिटल अक्षरों की तरह हैं) भी भेजा। दर्पण के बिना, अक्षर बिखरे हुए और धुंधले थे। दर्पण के साथ, अक्षर स्पष्ट और तीखे रूप में आए।

सारांश

यह शोध पत्र एक सस्ते, सामान्य पदार्थ (FR4) को लेने, उसे एक स्मार्ट "एयर गैप" सैंडविच डिज़ाइन देने और 5G संकेतों के लिए एक प्रोग्राम करने योग्य दर्पण बनाने के लिए एक सरल Arduino मस्तिष्क जोड़ने के बारे में है।

बड़ी तस्वीर: यह तकनीक घने शहरों और इमारतों के अंदर 5G और भविष्य के 6G नेटवर्क को बिना हर जगह महंगी, उच्च-तकनीकी बुनियादी संरचना बनाए, पूरी तरह से काम करने में सक्षम बनाने की कुंजी हो सकती है। यह प्लास्टिक के एक सस्ते टुकड़े को एक उच्च-प्रदर्शन वाले सिग्नल निर्देशक में बदल देता है।

यहाँ शोध पत्र "Compact Reconfigurable Intelligent Surface with Phase-Gradient Coded Beam Steering and Controlled Substrate Loss" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

5G और उससे आगे की (B5G) नेटवर्कों की तैनाती घने शहरी और इनडोर वातावरणों में महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना कर रही है, जिसमें सिग्नल ब्लॉकेज, गंभीर मल्टीपाथ फेडिंग (multipath fading) और खराब कवरेज शामिल हैं। जबकि रीकॉन्फ़िगेरेबल इंटेलिजेंट सर्फेस (RISs) रिफ्लेक्टेड बीमों को प्रोग्रामेटिक रूप से नियंत्रित करके एक आशाजनक समाधान प्रदान करते हैं, मौजूदा कार्यान्वयन तीन प्राथमिक बाधाओं का सामना करते हैं:

उच्च लागत और हानि (High Cost and Loss): कई डिज़ाइन डाइइलेक्ट्रिक नुकसान को कम करने के लिए विशेष, कम-हानि वाले सबस्ट्रेट्स (जैसे कि रोजर्स) पर निर्भर करते हैं, जिससे विनिर्माण लागत बढ़ जाती है। 3 GHz से ऊपर अक्सर उच्च लॉस टेंगेंट (loss tangents) के कारण मानक कम लागत वाले सबस्ट्रेट्स जैसे FR4 से बचा जाता है।
जटिलता और आकार (Complexity and Size): उच्च-प्रदर्शन वाले RISs के लिए अक्सर जटिल मल्टी-बिट यूनिट सेल्स, जटिल बायसिंग नेटवर्क और बड़े अपर्चर आकार की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें व्यावहारिक रूप से तैनात करना कठिन हो जाता है।
नियंत्रण ओवरहेड (Control Overhead): मौजूदा प्रोटोटाइप अक्सर जटिल FPGA-आधारित नियंत्रण प्रणालियों और व्यापक वायरिंग पर निर्भर करते हैं, जो स्केलेबिलिटी में बाधा डालते हैं।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक एक 1-बिट RIS आर्किटेक्चर प्रस्तावित करते हैं जो एक नवीन यूनिट सेल डिज़ाइन, एक सरलीकृत नियंत्रण योजना और एक फेज-ग्रेडिएंट कोडिंग रणनीति के माध्यम से इन मुद्दों का समाधान करता है।

A. यूनिट सेल डिज़ाइन और सबस्ट्रेट अनुकूलन (Unit Cell Design & Substrate Optimization)

संरचना (Structure): यूनिट सेल में एक तीन-परत संरचना (रेडिएटिंग लेयर, ग्राउंड लेयर और बायसिंग लेयर) का उपयोग किया जाता है जो मैन्युअल रूप से स्टैक्ड एयर गैप द्वारा अलग की गई है।
हानि न्यूनीकरण (Loss Mitigation): महंगे लो-लॉस सामग्रियों के बजाय, यह डिज़ाइन मानक FR4 सबस्ट्रेट ( $\varepsilon_r \approx 4.4$ $ε_{r} \approx 4.4$ , $\tan \delta \approx 0.02$ $tan δ \approx 0.02$ ) का उपयोग करता है। FR4 की उच्च हानि को कम करने के लिए, ग्राउंड और बायसिंग परतों के बीच एक इष्टतम एयर गैप ( $h_{air} = 0.5$ $h_{ai r} = 0.5$ mm) पेश किया गया है।
- तंत्र (Mechanism): एयर गैप प्रभावी डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक ( $\varepsilon_{eff}$ ) को कम करता है और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र ऊर्जा को हानिदायक FR4 सबस्ट्रेट से दूर पुनर्वितरित करता है। इसे लॉस पार्टिसिपेशन रेशियो (LPR) का उपयोग करके मापा गया है, जो प्रभावी लॉस टेंगेंट को काफी कम कर देता है।
विया प्लेसमेंट (Via Placement): पारंपरिक डिज़ाइनों के विपरीत, जो फील्ड मिनिमा पर विया (vias) रखते हैं, यह कार्य सतह धारा वितरण (surface current distribution) का विश्लेषण करने के लिए फ्लोकेट पोर्ट एक्साइटेशन (Floquet port excitation) का उपयोग करता है। विया को अधिकतम सतह धारा घनत्व (maximum surface current density) वाले स्थानों पर रखा गया है ताकि उच्च परावर्तन परिमाण बनाए रखते हुए फेज संवेदनशीलता को अधिकतम किया जा सके।
ज्यामिति (Geometry): यूनिट सेल कॉम्पैक्ट है ( $17 \text{ mm} \times 17 \text{ mm}$ या $0.198\lambda_g \times 0.198\lambda_g$ ) और इसमें पोलराइजेशन इंडिपेंडेंस के लिए स्लॉट्स के साथ एक गोलाकार धात्विक पैच है।

B. बायसिंग और नियंत्रण नेटवर्क (Biasing and Control Network)

स्विचिंग तंत्र (Switching Mechanism): दो अवस्थाओं (ON/OFF) के बीच स्विच करने के लिए एक PIN डायोड (Skyworks SMP1345-079LF) का उपयोग किया जाता है, जो $0^\circ$ और $180^\circ$ फेज शिफ्ट प्रदान करता है।
सरलीकृत सर्किट (Simplified Circuit): एक कॉम्पैक्ट बायसिंग नेटवर्क को डिस्क्रीट रिएक्टिव घटकों (इंडक्टर्स, कैपेसिटर) और एक रेडियल स्टब का उपयोग करके डिज़ाइन किया गया है ताकि प्रभावी RF/DC आइसोलेशन और ब्रॉडबैंड प्रतिबाधा मिलान (impedance matching) सुनिश्चित किया जा सके।
नियंत्रण आर्किटेक्चर (Control Architecture): सिस्टम को कैस्केडेड शिफ्ट रजिस्टरों (TPIC6B595N) के साथ इंटरफेस किए गए Arduino Mega 2560 माइक्रोकंट्रोलर द्वारा संचालित किया जाता है। यह जटिल FPGA सेटअप की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे हार्डवेयर जटिलता और बिजली की खपत (लगभग 0.05 W प्रति सेल) कम हो जाती है।

C. बीम स्टीयरिंग रणनीति (Beam Steering Strategy)

फेज-ग्रेडिएंट कोडिंग (Phase-Gradient Coding): बीम को निर्देशित करने के लिए एक फेज-ग्रेडिएंट कोडिंग योजना लागू की गई है। $10 \times 10$ एरे तत्वों को विशिष्ट $0^\circ$ या $180^\circ$ अवस्थाएं असाइन करके, अपर्चर में एक रैखिक फेज ग्रेडिएंट बनाया जाता है।
सैद्धांतिक मॉडलिंग (Theoretical Modeling): यह पेपर स्थानिक फेज वितरण (spatial phase distribution) के आधार पर दूर-क्षेत्र स्कैटरड फील्ड्स (far-field scattered fields) को व्युत्पन्न करता है, जिसमें आपतित कोणों और 1-बिट अवस्थाओं की असतत प्रकृति को ध्यान में रखा गया है।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

कम लागत, कम हानि वाला डिज़ाइन: यह प्रदर्शन करना कि नियंत्रित एयर गैप और विया प्लेसमेंट के माध्यम से फेज नियंत्रण और हानि न्यूनीकरण के बीच संतुलन बनाने वाले फिगर ऑफ मेरिट (FoM) को प्राप्त करके 3 GHz से ऊपर के RISs के लिए प्रभावी रूप से FR4 सबस्ट्रेट्स का उपयोग किया जा सकता है।
कॉम्पैक्ट 1-बिट यूनिट सेल: एक $17 \text{ mm} \times 17 \text{ mm}$ यूनिट सेल का विकास जिसमें सरलीकृत बायसिंग नेटवर्क है, जिसके परिणामस्वरूप कुल एरे आकार $2.9\lambda_g \times 2.9\lambda_g$ ( $255 \text{ mm} \times 255 \text{ mm}$ ) है।
सरलीकृत नियंत्रण प्रणाली: एक माइक्रोकंट्रोलर-आधारित नियंत्रण प्रणाली (Arduino + Shift Registers) का कार्यान्वयन जो FPGA-आधारित विकल्पों की तुलना में जटिलता को काफी कम करता है।
प्रायोगिक सत्यापन: एनकोइक (anechoic) और शोर वाले वातावरण दोनों में व्यापक प्रायोगिक सत्यापन, जिसमें QPSK सिग्नल ट्रांसमिशन शामिल है।

4. परिणाम (Results)

ऑपरेटिंग बैंड: RIS 3.38–3.67 GHz रेंज (3.5 GHz पर केंद्रित) में प्रभावी ढंग से संचालित होता है, जो 8.3% फ्रैक्शनल बैंडविड्थ के साथ 5G n78 बैंड को कवर करता है।
बीम स्टीयरिंग प्रदर्शन:
- एनकोइक और शोर वाले वातावरण दोनों में $\pm 30^\circ$ तक बीम स्टीयरिंग सफलतापूर्वक प्राप्त की गई।
- ON/OFF अवस्थाओं के बीच फेज अंतर $0^\circ/180^\circ \pm 20^\circ$ के भीतर रहता है।
- गेन एन्हांसमेंट (Gain Enhancement): RIS $\pm 30^\circ$ के कोणीय रेंज के भीतर आपतित तरंग (incident wave) पर लगभग 9 dB का मापा गया रिफ्लेक्टेड वेव गेन एन्हांसमेंट प्रदान करता है।
स्टेट-ऑफ-द-आर्ट के साथ तुलना:
- अन्य कार्यों (जैसे कि Ref [27], [13], [28]) की तुलना में, यह डिज़ाइन तुलनीय बीम स्टीयरिंग क्षमताओं ( $\pm 30^\circ$ ) को बनाए रखते हुए काफी छोटा अपर्चर आकार ( $2.9\lambda_g$ बनाम $7.9\lambda_g$ – $10\lambda_g$ ) प्रदान करता है।
- यह कम नियंत्रण लाइनों (100 बनाम 128–400) और एक सरल MCU-आधारित नियंत्रण विधि का उपयोग करता है।
संचार प्रदर्शन:
- शोर वाले वातावरण में, RIS-असिस्टेड चैनल ने सफलतापूर्वक QPSK-मॉड्यूलेटेड सिम्बल्स को प्रसारित किया।
- प्राप्त कॉन्स्टिलेशन डायग्राम ने गैर-RIS परिदृश्य की तुलना में टाइट सिंबल क्लस्टर्स और कम त्रुटि दर दिखाई, जो बेहतर चैनल विश्वसनीयता और सिम्बल्स के बीच यूक्लिडियन दूरी की पुष्टि करता है।

5. महत्व (Significance)

यह कार्य सैद्धांतिक RIS अवधारणाओं और व्यावहारिक, कम लागत वाले परिनियोजन के बीच के अंतर को पाटता है। यह सिद्ध करके कि संरचनात्मक अनुकूलन (एयर गैप और विया प्लेसमेंट) के माध्यम से मानक FR4 सबस्ट्रेट्स का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जा सकता है, यह शोध पत्र 5G/6G इंफ्रास्ट्रक्चर के लिए एक प्रमुख लागत बाधा को दूर करता है। इसके अलावा, सरलीकृत नियंत्रण आर्किटेक्चर बड़े पैमाने पर RIS परिनियोजन को अधिक व्यवहार्य बनाता है, क्योंकि यह उच्च लागत और बिजली की खपत वाले FPGA-आधारित नियंत्रकों से बचता है। वास्तविक दुनिया की स्थितियों में बीम स्टीयरिंग और डेटा ट्रांसमिशन (QPSK) का सफल सत्यापन अगली पीढ़ी के वायरलेस नेटवर्क में कवरेज बढ़ाने के लिए इस कॉम्पैक्ट, 1-बिट RIS की व्यवहार्यता को रेखांकित करता है।