信息超材料，6G技術(shù)的寵兒

上世紀(jì)六七十年代，隱身技術(shù)紅極一時(shí)，即使在今天，隱身材料依然是尖端技術(shù)。使物體可以在光天化日之下“隱身”的，是一種等效超材料，這種超材料通過(guò)人工微結(jié)構(gòu)構(gòu)造出了一些自然界不存在的材料參數(shù)，通過(guò)特殊的材料參數(shù)控制了電磁波，形成了“隱身”“黑洞”這樣的電磁效果。

超材料對(duì)電磁波的控制引起了很多專家學(xué)者的研究興趣，在中國(guó)的發(fā)展速度也很快，目前我國(guó)在超材料領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于全球第一梯隊(duì)中。2014年，中國(guó)科學(xué)院院士、東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任崔鐵軍團(tuán)隊(duì)首次將超材料對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)控制，以數(shù)字編程的方式實(shí)現(xiàn)，從而為6G技術(shù)研究打開了一個(gè)新的領(lǐng)域，這種超材料被命名為“信息超材料”，并以其靈活性、低成本和高效率，成為當(dāng)前6G研究的寵兒。今年4月7日，智能超表面（RIS）技術(shù)聯(lián)盟成立，智能超表面是信息超材料的應(yīng)用技術(shù)之一，吸引了國(guó)際、國(guó)內(nèi)80多家單位，涵蓋大專院校、科研機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體、標(biāo)準(zhǔn)化組織，以及終端與芯片、儀器儀表、設(shè)備制造、運(yùn)營(yíng)企業(yè)等上下游單位。

一座里程碑

做隱身用的等效材料有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是其中的人工微結(jié)構(gòu)是固定的，不能變化，這意味著功能也是固定的，不能按照意愿實(shí)時(shí)地控制電磁波，這限制了超材料的應(yīng)用場(chǎng)景，降低了使用價(jià)值。

2014年，崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先提出數(shù)字超材料的概念，并展示了第一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程超材料，借助FPGA輸出序列調(diào)整超表面單元內(nèi)部二極管開關(guān)的通斷，在物理空間中實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波的直接調(diào)控，開創(chuàng)了數(shù)字可編程超材料研究的先河，并在國(guó)際上引發(fā)大量關(guān)注。

 “我們要把一個(gè)無(wú)源的微結(jié)構(gòu)做成一個(gè)動(dòng)態(tài)的有源超材料（無(wú)源指無(wú)需供電，有源指需要供電），就是要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)，一是微結(jié)構(gòu)要能對(duì)電磁波動(dòng)態(tài)調(diào)控，二是可以用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)這種調(diào)控。”崔鐵軍說(shuō)。

在數(shù)字超材料中，數(shù)字0和1代表的是兩種相反的物理狀態(tài)，例如相位的正相和反相，0透射和全透射等。在最初的設(shè)計(jì)中采用有源的二極管（PIN）來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)微結(jié)構(gòu)，當(dāng)二極管接通和斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生180度的相位差，同時(shí)二極管的接通和斷開也可以對(duì)應(yīng)高電平和0電平，這恰與數(shù)字電路中的0和1是相同的，從而將電磁波控制的物理行為與數(shù)字電路的0和1的計(jì)算對(duì)應(yīng)起來(lái)。

在二極管之后，變?nèi)莨堋?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1454817.html">三極管、MEMS、液晶、石墨烯、相變材料等都被引入超表面研究，調(diào)控手段得以進(jìn)一步豐富，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁波幅度、相位、極化等狀態(tài)的靈活調(diào)控。隨后，崔鐵軍院士在融合信息、電子、材料等科學(xué)的基礎(chǔ)上提出了信息超材料的概念，將超材料的研究由單純的空間編碼拓展至空間-時(shí)間-頻率等多域聯(lián)合編碼，并應(yīng)用于對(duì)空間電磁信息的直接調(diào)制。這一系列工作開創(chuàng)了連接數(shù)字世界與物理世界的新范式，并為基于信息超材料的下一代無(wú)線通信系統(tǒng)研究作了基礎(chǔ)性和前瞻性鋪墊，具有里程碑意義。

信息超材料技術(shù)一誕生，就顯示出在多種場(chǎng)景中應(yīng)用的潛力。在FPGA之后，崔鐵軍團(tuán)隊(duì)又在研究加入傳感器和人工智能算法，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信息超材料的自適應(yīng)能力。例如一個(gè)飛行中的飛機(jī)可以利用這種技術(shù)自動(dòng)將電磁波主波對(duì)準(zhǔn)特定的衛(wèi)星。

受寵6G研究

一種顛覆性技術(shù)的引入，往往是傳統(tǒng)的技術(shù)路徑在滿足新需求時(shí)碰到不好逾越的困難。人類在解決最基本的自身保暖的問(wèn)題上，上千年主要利用棉花，但要實(shí)現(xiàn)又保?又輕便，棉花明顯不如羽絨。這也是6G研究中一直在尋找原創(chuàng)性技術(shù)的原因，希望另辟蹊徑解決問(wèn)題。

無(wú)線通信技術(shù)從3G開始，為了實(shí)現(xiàn)更大的信號(hào)傳輸的吞吐量，在天線技術(shù)上做了很多改進(jìn)，從智能天線到多天線，從多天線再到天線陣列，4G時(shí)就引入了天線陣列（MIMO），5G引入了大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）。天線的數(shù)量從1對(duì)（發(fā)射和接收各1根天線）開始，經(jīng)歷2對(duì)、4對(duì)、8對(duì)，現(xiàn)在主流5G宏基站普遍用的是64對(duì)天線。在5G研究之初，大家熱衷討論的甚至是128對(duì)、256對(duì)。

從理論上講，更高的天線對(duì)數(shù)帶來(lái)更好的傳輸帶寬，但為什么128對(duì)、256對(duì)天線并沒(méi)有規(guī)模商用？因?yàn)?G和6G都面臨一個(gè)系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)，MIMO、毫米波通信的天線的核心體制是陣列體制，一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗大。

崔鐵軍認(rèn)為， 6G采用超大規(guī)模天線陣列或者使用太赫茲頻段時(shí)，這個(gè)矛盾會(huì)更加突出。而信息超材料則給出了一種路徑，通過(guò)超材料對(duì)電磁波的控制，可以把天線的物理特性與基帶的數(shù)字特性結(jié)合起來(lái)，簡(jiǎn)化了天線技術(shù)，而且功耗明顯降低，成本也會(huì)有明顯下降。

2021年7月，中國(guó)移動(dòng)攜手東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院率先在 5G 現(xiàn)網(wǎng)完成智能超表面技術(shù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明智能超表面可根據(jù)用戶分布靈活地調(diào)整無(wú)線環(huán)境中的信號(hào)波束，顯著改善現(xiàn)網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度、網(wǎng)絡(luò)容量和用戶速率，預(yù)示了信息超材料技術(shù)在未來(lái)無(wú)線通信中的廣泛應(yīng)用前景。

帶刺的玫瑰

在中國(guó)移動(dòng)近期發(fā)布的《6G信息技術(shù)超材料白皮書》中，集中反映出了中國(guó)移動(dòng)對(duì)超材料、信息超材料在通信中應(yīng)用的探索。

中國(guó)移動(dòng)研究院首席專家袁弋非說(shuō)：“通信中的超材料可以用于超材料天線、智能反射面、波束賦型超表面基站和信息調(diào)制超表面基站中。”

超材料可以用于做天線蓋板，提高天線收發(fā)信號(hào)的能力、降低天線高度。信息超材料有一個(gè)很大的用途是做智能反射面（RIS），具有靈活部署、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，還能夠擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)容量，并且抑制電磁干擾。

“從應(yīng)用部署上來(lái)看，信息超材料可以分三步走來(lái)實(shí)現(xiàn)。”袁弋非說(shuō)，“第一步最簡(jiǎn)單，超材料是靜態(tài)和半靜態(tài)的工作模式，適合用來(lái)做網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)盲，優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不夠靈活，第二步是折中，事先給超材料環(huán)境分配一些波束，需要不斷調(diào)整，靈活性差一些；第三步是在小尺度的信道上做實(shí)時(shí)的調(diào)整，不斷做估計(jì)和反饋，從而對(duì)每一個(gè)天線振子的相位做單獨(dú)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，充分發(fā)揮智能超表面的性能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然第三步是比較復(fù)雜的，現(xiàn)在也存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)。”

這種革命性技術(shù)的挑戰(zhàn)也是明顯的。袁弋非說(shuō)，目前挑戰(zhàn)主要在硬件實(shí)現(xiàn)、工程部署、方案設(shè)計(jì)和組網(wǎng)架構(gòu)上。從硬件看，二極管等器件的切換速率是受限，實(shí)現(xiàn)高頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)控有難度，由于目前器件成熟度不夠，材料制做成本偏高；在工程部署上，智能超表面的面板尺寸比較大，風(fēng)阻大，和現(xiàn)在的天線面板相比，不易部署；在理論上，缺乏可靠完整的傳輸理論基礎(chǔ)、信息和系統(tǒng)模型；而且控制方式的改變，對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功耗等都有影響，在多帶寬、多制式下的組網(wǎng)方案還要進(jìn)一步明確。

作者丨劉晶

編輯丨連曉東

美編丨馬利亞