中國科學院院士崔鐵軍：運用科學技術手段降低信息超材料功耗

11月14日消息（九九）日前，以“新視界·RIS賦能6G”為主題的第三屆智能超表面技術論壇在西安召開。中國科學院院士崔鐵軍在主旨報告中表示，降低信息超材料的功耗需要從原理和科學技術角度出發(fā)，有賴于新設計新器件、有源-無源混合系統、RF遠程操控、行列操控代替矩陣操控、自供電信息超表面、信息超材料智能基站等諸多方面。

在新設計、新器件方面，應用于綠色安全通信的雙極化信息超表面解決了三個挑戰(zhàn)：單元和極化獨立控制，低成本、低功耗（27.7 mW）和超寬工作帶寬（22%）。信息超表面包含16*16個單元，每個單元僅使用2個開關芯片，分別控制兩個極化通道；開關芯片基于CMOS工藝，以電壓驅動，實測功耗僅為54uW。

雙極化通道下的寬角波束掃描實驗驗證表明，信息超表面能夠實現±50°范圍內的波束掃描，掃描增益損耗小于3.2dB。信息超表面的3dB增益帶寬為8.8-11 GHz，相對帶寬為22%。利用一種快速和有效的優(yōu)化算法對信息超表面上的編碼序列進行優(yōu)化，并使用方向性調制和極化復用能夠實現多通道無線安全通信功能。

在有源-無源混合系統方面，基于少量有源單元和混合架構的信息超表面具有混合架構，由可編程饋電陣列和超表面透鏡組成，饋電陣列由有源單元和無源單元摻雜而成，有效地減少了三分之一的有源單元。超表面透鏡用作空間移相器，增強了波束成形增益，同時進一步減少了有源單元的使用。信息超表面同時充當數字調制器和發(fā)射器，基于QPSK調制，實現了良好的視頻傳輸，顯著改善了室內的無線信號覆蓋。

在RF遠程操控方面，基于RFID遠程無線控制的超低功耗信息超表面擺脫了物理線纜與外部直流模塊的使用，引入RFID技術實現了對信息超表面的遠場無線控制，無源結構與超低功耗開關芯片結合，利用場路聯合的方法對單元陣列進行建模設計。在RFID遠場無線控制下，信息超表面能夠實現多種電磁功能，消耗功率僅為0.576mW。

在行列操控代替矩陣操控方面，分區(qū)交叉控制可編程超表面創(chuàng)新地對超表面的行和列控制電壓進行編碼，通過執(zhí)行矩陣相乘表征陣列的相位編碼分布。該控制架構使用N數量級的控制端口數量實現了原有N平方數量級控制架構所能實現的空間波束操縱能力；另外可根據實際場景的波束調控精度需求，對超表面劃分不同數量和位置的區(qū)域，分區(qū)交叉控制實現自由空間的波束調控。

在自供電方面，信息-能量超表面通過超材料的設計，將空間的電磁能吸收到超材料上實現自供電，并通過時間編碼分配頻譜分別進行能量和信息的傳輸。另外也可以通過有源設計，收集空間能量調控編碼序列，例如太陽能驅動光調制微波信息超表面，收集效率可能會更高，也更值得期待。

在信息超材料智能基站方面，多流智能超表面波束賦形毫米波基站提出了一種工作在毫米波頻段的智能超表面波束賦形6G基站系統，該系統主要由饋源天線，控制板，和智能超表面構成，其中每流智能超表面包含了30X30個可獨立調控2-bit反射電磁相位的超表面單元?？刂瓢宀捎昧司喌拇⑥D換架構，實現了單個FPGA板同時控制1800路的輸出電壓。通過調控陣面的單元相位分布，系統可以實現前半空間正負70度的波束調控，實現前半空間的定向通信。通過組合四塊超表面，可以實現四流的波束調控，同時向空間中的四個位置傳輸信息，完成多流信息傳輸。該系統其待機時消耗功率約5W，工作時平均消耗功率為12W，四流系統工作消耗功率約為48W。

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