信息超材料為6G做前瞻鋪墊

20世紀六七十年代，隱身技術紅極一時，即使在今天，隱身材料依然是尖端技術。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構構造出了一些自然界不存在的材料參數，通過特殊的材料參數控制了電磁波，實現了“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者的興趣，其研究在中國的發展速度也很快，目前我國在超材料領域的研究已經處于全球第一梯隊中。2014年，中國科學院院士、東南大學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控制，以數字編程的方式實現，從而為6G技術研究打開了一個新的領域，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）技術聯盟成立。智能超表面是信息超材料的應用技術之一，吸引了國內外80多家單位參與，涵蓋大專院校、科研機構、學術團體、標準化組織，以及終端與芯片、儀器儀表、設備制造、運營企業等上下游單位。

開創連接數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構是固定的，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字超材料的概念，并展示了第一塊現場可編程超材料，借助FPGA輸出序列調整超表面單元內部二極管開關的通斷，在物理空間中實現了對電磁波的直接調控，開創了數字可編程超材料研究的先河，并在國際上引發大量關注。

“我們要把一個無源的微結構做成一個動態的有源超材料（無源指無需供電，有源指需要供電），就是要實現兩個目標，一是微結構要能對電磁波動態調控，二是可以用數字來實現這種調控?！贝掼F軍說。

在數字超材料中，數字0和1代表的是兩種相反的物理狀態，例如相位的正相和反相，0透射和全透射等。在最初的設計中采用有源的二極管（PIN）來設計這個微結構，當二極管接通和斷開時，會產生180°的相位差，同時二極管的接通和斷開也可以對應高電平和0電平，這恰與數字電路中的0和1是相同的，從而將電磁波控制的物理行為與數字電路的0和1的計算對應起來。

在二極管之后，變容管、三極管、MEMS、液晶、石墨烯、相變材料等都被引入超表面研究，調控手段進一步豐富，實現了對電磁波幅度、相位、極化等狀態的靈活調控。隨后，崔鐵軍院士在融合信息、電子、材料等科學的基礎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-頻率等多域聯合編碼，并應用于對空間電磁信息的直接調制。這一系列工作開創了連接數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研究做了基礎性和前瞻性鋪墊，具有里程碑意義。

信息超材料技術一誕生，就顯示出在多種場景中應用的潛力。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，以此來實現信息超材料的自適應能力。

超材料將在6G受寵

一種顛覆性技術的引入，往往是由于傳統的技術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性技術的原因，希望另辟蹊徑解決問題。

從3G開始，無線通信技術為了實現更大的信號傳輸吞吐量，在天線技術上做了很多改進，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引入了大規模天線陣列（Massive MIMO）。天線的數量從1對（發射和接收各1根天線）開始，經歷2對、4對、8對，現在主流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，更高的天線對數帶來更好的傳輸帶寬，但為什么128對、256對天線并沒有規模商用？因為5G和6G都面臨一個系統性的挑戰，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、系統復雜、功耗大。

崔鐵軍認為，6G采用超大規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字特性結合起來，簡化了天線技術，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電磁空間科學與技術研究院率先在5G現網完成智能超表面技術實驗，結果表明，智能超表面可根據用戶分布，靈活地調整無線環境中的信號波束，顯著改善現網弱覆蓋區域的信號強度、網絡容量和用戶速率，預示了信息超材料技術在未來無線通信中的廣泛應用前景。

未來應用要分三步走

在中國移動近期發布的《6G信息技術超材料白皮書》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、節能的優點，還能夠擴大網絡的覆蓋，提升網絡容量，并且抑制電磁干擾。

“從應用部署上來看，信息超材料可以分三步走來實現?！痹钦f，“第一步最簡單，超材料是靜態和半靜態的工作模式，適合用來做網絡補盲，優點是控制簡單，缺點是不夠靈活;第二步是折中，事先給超材料環境分配一些波束，需要不斷調整，靈活性差一些;第三步是在小尺度的信道上做實時調整，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調整，充分發揮智能超表面的性能優勢。當然第三步是比較復雜的，現在也存在很多技術挑戰?！?/p>

這種革命性技術的挑戰也是明顯的。袁弋非說，目前挑戰主要在硬件實現、工程部署、方案設計和組網架構上。從硬件看，二極管等器件的切換速率是受限的，實現高頻率的動態調控有難度，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，風阻大，和現在的天線面板相比，不易部署;在理論上，缺乏可靠完整的傳輸理論基礎、信息和系統模型，而且控制方式的改變，對網絡架構設計、功耗等都有影響，在多帶寬、多制式下的組網方案還要進一步明確。

（來源：中國電子報）