20世紀六七十年代，隱身技術(shù)紅極一時，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)，通過特殊的材料參數(shù)控制了電磁波，實現(xiàn)了“隱身”“黑洞”這樣的電磁效果。

超材料對電磁波的控制引起了很多專家學(xué)者的興趣，其研究在中國的發(fā)展速度也很快，目前我國在超材料領(lǐng)域的研究已經(jīng)處于全球第一梯隊中。2014年，中國科學(xué)院院士、東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室主任崔鐵軍團隊首次將超材料對電磁波的動態(tài)控制，以數(shù)字編程的方式實現(xiàn)，從而為6G技術(shù)研究打開了一個新的領(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，成為當前6G研究的寵兒。2022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，吸引了國內(nèi)外80多家單位參與，涵蓋大專院校、科研機構(gòu)、學(xué)術(shù)團體、標準化組織，以及終端與芯片、儀器儀表、設(shè)備制造、運營企業(yè)等上下游單位。

開創(chuàng)連接數(shù)字世界與物理世界新范式

做隱身用的等效材料有一個明顯的缺點，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，不能按照意愿實時控制電磁波，限制了超材料的應(yīng)用場景，降低了使用價值。

2014年，崔鐵軍院士團隊在國際上率先提出數(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，在物理空間中實現(xiàn)了對電磁波的直接調(diào)控，開創(chuàng)了數(shù)字可編程超材料研究的先河，并在國際上引發(fā)大量關(guān)注。

“我們要把一個無源的微結(jié)構(gòu)做成一個動態(tài)的有源超材料（無源指無需供電，有源指需要供電），就是要實現(xiàn)兩個目標，一是微結(jié)構(gòu)要能對電磁波動態(tài)調(diào)控，二是可以用數(shù)字來實現(xiàn)這種調(diào)控?！贝掼F軍說。

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)計中采用有源的二極管（PIN）來設(shè)計這個微結(jié)構(gòu)，當二極管接通和斷開時，會產(chǎn)生180°的相位差，同時二極管的接通和斷開也可以對應(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的計算對應(yīng)起來。

在二極管之后，變?nèi)莨?、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)控手段進一步豐富，實現(xiàn)了對電磁波幅度、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-時間-頻率等多域聯(lián)合編碼，并應(yīng)用于對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線通信系統(tǒng)研究做了基礎(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，就顯示出在多種場景中應(yīng)用的潛力。在FPGA之后，崔鐵軍團隊又在研究加入傳感器和人工智能算法，以此來實現(xiàn)信息超材料的自適應(yīng)能力。

超材料將在6G受寵

一種顛覆性技術(shù)的引入，往往是由于傳統(tǒng)的技術(shù)路徑在滿足新需求時碰到不好逾越的困難。人類在解決最基本的自身保暖的問題上，上千年主要利用棉花，但要又保暖又輕便，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題。

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

從理論上講，更高的天線對數(shù)帶來更好的傳輸帶寬，但為什么128對、256對天線并沒有規(guī)模商用？因為5G和6G都面臨一個系統(tǒng)性的挑戰(zhàn)，MIMO、毫米波通信天線的核心體制是陣列體制，一個明顯的缺點是成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、功耗大。

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

2021年7月，中國移動攜手東南大學(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)實驗，結(jié)果表明，智能超表面可根據(jù)用戶分布，靈活地調(diào)整無線環(huán)境中的信號波束，顯著改善現(xiàn)網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域的信號強度、網(wǎng)絡(luò)容量和用戶速率，預(yù)示了信息超材料技術(shù)在未來無線通信中的廣泛應(yīng)用前景。

未來應(yīng)用要分三步走

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

中國移動研究院首席專家袁弋非說：“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?！?/p>

超材料可以用于做天線蓋板，提高天線收發(fā)信號的能力、降低天線高度。信息超材料有一個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，還能夠擴大網(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)用部署上來看，信息超材料可以分三步走來實現(xiàn)?！痹钦f，“第一步最簡單，超材料是靜態(tài)和半靜態(tài)的工作模式，適合用來做網(wǎng)絡(luò)補盲，優(yōu)點是控制簡單，缺點是不夠靈活;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時調(diào)整，不斷做估計和反饋，從而對每一個天線振子的相位做單獨的動態(tài)調(diào)整，充分發(fā)揮智能超表面的性能優(yōu)勢。當然第三步是比較復(fù)雜的，現(xiàn)在也存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)?！?/p>

這種革命性技術(shù)的挑戰(zhàn)也是明顯的。袁弋非說，目前挑戰(zhàn)主要在硬件實現(xiàn)、工程部署、方案設(shè)計和組網(wǎng)架構(gòu)上。從硬件看，二極管等器件的切換速率是受限的，實現(xiàn)高頻率的動態(tài)調(diào)控有難度，由于目前器件成熟度不夠，材料制作成本偏高;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，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、功耗等都有影響，在多帶寬、多制式下的組網(wǎng)方案還要進一步明確。

（來源：中國電子報）