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崔铁军：《积极用科技术手段降低信息超材料功耗》
2026-03-02 13:14:31
作者：崔铁军（中国科学院院士，东南大学信息科学与工程学院教授）
降低信息超材料的功耗需要从原理和科学技术角度出发，有赖于新设计新器件、有源-无源混合系统、RF远程操控、行列操控代替矩阵操控、自供电信息超表面、信息超材料智能基站等诸多方面。
在新设计、新器件方面，应用于绿色安全通信的双极化信息超表面解决了三个挑战：单元和极化独立控制，低成本、低功耗（27.7 mW）和超宽工作带宽（22%）。信息超表面包含16*16个单元，每个单元仅使用2个开关芯片，分别控制两个极化通道；开关芯片基于CMOS工艺，以电压驱动，实测功耗仅为54uW。双极化通道下的宽角波束扫描实验验证表明，信息超表面能够实现±50°范围内的波束扫描，扫描增益损耗小于3.2dB。信息超表面的3dB增益带宽为8.8-11 GHz，相对带宽为22%。利用一种快速和有效的优化算法对信息超表面上的编码序列进行优化，并使用方向性调制和极化复用能够实现多通道无线安全通信功能。
在有源-无源混合系统方面，基于少量有源单元和混合架构的信息超表面具有混合架构，由可编程馈电阵列和超表面透镜组成，馈电阵列由有源单元和无源单元掺杂而成，有效地减少了三分之一的有源单元。超表面透镜用作空间移相器，增强了波束成形增益，同时进一步减少了有源单元的使用。信息超表面同时充当数字调制器和发射器，基于QPSK调制，实现了良好的视频传输，显著改善了室内的无线信号覆盖。
在RF远程操控方面，基于RFID远程无线控制的超低功耗信息超表面摆脱了物理线缆与外部直流模块的使用，引入RFID技术实现了对信息超表面的远场无线控制，无源结构与超低功耗开关芯片结合，利用场路联合的方法对单元阵列进行建模设计。在RFID远场无线控制下，信息超表面能够实现多种电磁功能，消耗功率仅为0.576mW。
在行列操控代替矩阵操控方面，分区交叉控制可编程超表面创新地对超表面的行和列控制电压进行编码，通过执行矩阵相乘表征阵列的相位编码分布。该控制架构使用N数量级的控制端口数量实现了原有N平方数量级控制架构所能实现的空间波束操纵能力；另外可根据实际场景的波束调控精度需求，对超表面划分不同数量和位置的区域，分区交叉控制实现自由空间的波束调控。
在自供电方面，信息-能量超表面通过超材料的设计，将空间的电磁能吸收到超材料上实现自供电，并通过时间编码分配频谱分别进行能量和信息的传输。另外也可以通过有源设计，收集空间能量调控编码序列，例如太阳能驱动光调制微波信息超表面，收集效率可能会更高，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赋形毫米波基站提出了一种工作在毫米波频段的智能超表面波束赋形6G基站系统，该系统主要由馈源天线，控制板，和智能超表面构成，其中每流智能超表面包含了30X30个可独立调控2-bit反射电磁相位的超表面单元。控制板采用了精简的串并转换架构，实现了单个FPGA板同时控制1800路的输出电压。通过调控阵面的单元相位分布，系统可以实现前半空间正负70度的波束调控，实现前半空间的定向通信。通过组合四块超表面，可以实现四流的波束调控，同时向空间中的四个位置传输信息，完成多流信息传输。该系统其待机时消耗功率约5W，工作时平均消耗功率为12W，四流系统工作消耗功率约为48W。
作者介绍：
崔铁军：计算电磁学和电磁超材料专家，中国科学院院士，国际电气与电子工程师学会会士，东南大学信息科学与工程学院教授、博士生导师，东南大学新生学院院长，西安电子科技大学电子工程学院院长，东南大学毫米波国家重点实验室主任，张江国家实验室太赫兹研究所所长，九三学社江苏省委员会副主委，第十四届全国人大代表，享受国务院政府特殊津贴。兼任江苏省科学技术协会副主席、南京市政府参事等多项社会职务。崔铁军院士在新型人工电磁材料（电磁超材料）的理论、实验及应用、计算电磁学及其快速算法、目标特性与目标识别等领域做出了系统而深入的研究，牵头承担了国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金重点项目、变革性技术国建重点研发计划、国家973计划、863主题项目、国家杰出青年科学基金、教育部“支撑计划”重大项目、教育部“创新引智计划”项目等；出版《地理空间数据获取与处理》等专著3部，在Science、Nature子刊、美国科学院院刊和PRL等国际知名刊物发表论文600余篇，被引用49000余次。成果获教育部自然科学一等奖、2014年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖等奖励。荣获苏省留学回国先进个人、江苏省五一劳动奖章、中国侨联“双百侨界贡献奖”、江苏省333人才突出贡献奖、江苏省侨界十杰、全国五一劳动奖章 、第三届全国创新争先奖状、“九三楷模”等多项荣誉称号。
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