中國科學(xué)院院士崔鐵軍：運(yùn)用科學(xué)技術(shù)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(shù)論壇在西安召開。中國科學(xué)院院士崔鐵軍在主旨報(bào)告中表示，降低信息超材料的功耗需要從原理和科學(xué)技術(shù)角度出發(fā)，有賴于新設(shè)計(jì)新器件、有源-無源混合系統(tǒng)、RF遠(yuǎn)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(shè)計(jì)、新器件方面，應(yīng)用于綠色安全通信的雙極化信息超表面解決了三個(gè)挑戰(zhàn)：單元和極化獨(dú)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(gè)單元，每個(gè)單元僅使用2個(gè)開關(guān)芯片，分別控制兩個(gè)極化通道；開關(guān)芯片基于CMOS工藝，以電壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)測功耗僅為54uW。

雙極化通道下的寬角波束掃描實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，信息超表面能夠?qū)崿F(xiàn)±50°范圍內(nèi)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(duì)帶寬為22%。利用一種快速和有效的優(yōu)化算法對(duì)信息超表面上的編碼序列進(jìn)行優(yōu)化，并使用方向性調(diào)制和極化復(fù)用能夠?qū)崿F(xiàn)多通道無線安全通信功能。

在有源-無源混合系統(tǒng)方面，基于少量有源單元和混合架構(gòu)的信息超表面具有混合架構(gòu)，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(qiáng)了波束成形增益，同時(shí)進(jìn)一步減少了有源單元的使用。信息超表面同時(shí)充當(dāng)數(shù)字調(diào)制器和發(fā)射器，基于QPSK調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了良好的視頻傳輸，顯著改善了室內(nèi)的無線信號(hào)覆蓋。

在RF遠(yuǎn)程操控方面，基于RFID遠(yuǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息超表面的遠(yuǎn)場無線控制，無源結(jié)構(gòu)與超低功耗開關(guān)芯片結(jié)合，利用場路聯(lián)合的方法對(duì)單元陣列進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。在RFID遠(yuǎn)場無線控制下，信息超表面能夠?qū)崿F(xiàn)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(duì)超表面的行和列控制電壓進(jìn)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(gòu)使用N數(shù)量級(jí)的控制端口數(shù)量實(shí)現(xiàn)了原有N平方數(shù)量級(jí)控制架構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的空間波束操縱能力；另外可根據(jù)實(shí)際場景的波束調(diào)控精度需求，對(duì)超表面劃分不同數(shù)量和位置的區(qū)域，分區(qū)交叉控制實(shí)現(xiàn)自由空間的波束調(diào)控。

在自供電方面，信息-能量超表面通過超材料的設(shè)計(jì)，將空間的電磁能吸收到超材料上實(shí)現(xiàn)自供電，并通過時(shí)間編碼分配頻譜分別進(jìn)行能量和信息的傳輸。另外也可以通過有源設(shè)計(jì)，收集空間能量調(diào)控編碼序列，例如太陽能驅(qū)動(dòng)光調(diào)制微波信息超表面，收集效率可能會(huì)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(tǒng)，該系統(tǒng)主要由饋源天線，控制板，和智能超表面構(gòu)成，其中每流智能超表面包含了30X30個(gè)可獨(dú)立調(diào)控2-bit反射電磁相位的超表面單元。控制板采用了精簡的串并轉(zhuǎn)換架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)FPGA板同時(shí)控制1800路的輸出電壓。通過調(diào)控陣面的單元相位分布，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)前半空間正負(fù)70度的波束調(diào)控，實(shí)現(xiàn)前半空間的定向通信。通過組合四塊超表面，可以實(shí)現(xiàn)四流的波束調(diào)控，同時(shí)向空間中的四個(gè)位置傳輸信息，完成多流信息傳輸。該系統(tǒng)其待機(jī)時(shí)消耗功率約5W，工作時(shí)平均消耗功率為12W，四流系統(tǒng)工作消耗功率約為48W。

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