近日，南京航空航天大學電子信息工程學院羅宇教授團隊聯合東南大學崔鐵軍院士和新加坡南洋理工大學鄭元謹教授在《Nature Electronics》上發表了一項突破性研究成果，提出了一種接近信息映射效率理論上限的可編程超表面天線。該技術通過非周期編碼和空間諧波測量，實現了高效的信息映射，為下一代移動通信技術的發展提供了新的可能性。崔鐵軍院士、羅宇教授和鄭元謹教授為該論文的通訊作者；東南大學博士畢業生吳浩天（現任南洋理工大學博士后研究員）和東南大學博士生邵睿文為論文的共同第一作者。

背景與挑戰

隨著5G技術的廣泛應用，移動通信網絡對高容量、低延遲和高安全性的需求日益增長。然而，現有的多輸入多輸出（MIMO）網絡依賴于復雜的信號調制設備，如數模轉換器和混頻器，導致系統結構復雜且成本高昂。超表面技術作為一種新興的電磁波調控手段，能夠在不依賴混頻模塊和I/Q通道的情況下進行無線數據傳輸，因此被視為下一代移動通信的關鍵技術之一。

然而，現有的基于可編程超表面的通信網絡仍面臨信息映射效率低、數據傳輸速率低的挑戰。信息映射效率是指接收端在單位編碼圖案切換時間內測量提取的信息量與源端所提供的信息量之比。當前的可編程超表面通信架構中，信息映射效率遠低于理論極限，導致其潛力未能充分發揮。

創新突破：接近理論極限的信息映射效率

崔鐵軍院士、羅宇教授和鄭元謹教授等研究人員提出了一種新型的可編程超表面天線，通過結合非周期編碼和空間諧波測量，成功實現了接近理論極限的信息映射效率。該可編程超表面采用1比特相位調制，每個元件的相位狀態可以通過集成的控制單元獨立切換為“0”或“π”。通過將可編程模式映射到一階諧波方向，研究團隊展示了利用該模型在單次測量中提取所有編碼信息。

具體而言，研究團隊通過理論分析和實驗驗證，證明了超表面能夠在一階諧波方向上生成對稱且不相同的遠場響應。這種獨特的響應使得編碼信息能夠通過單次測量被高效提取，從而大幅提升了信息映射效率。實驗結果表明，當編碼序列長度為5時，信息映射效率達到了99%，接近理論極限。

圖1|基于可編程超表面的極限信息映射模型示意圖

本研究構建的系統采用1比特相位調制的可編程超表面天線，其結構由p列獨立控制的陣列構成，其中p為奇質數（例如5），每列寬度為d。在每一列中均嵌入了PIN二極管，并借助外部控制單元實現各列輻射單元相位在“0”與“π”之間的靈活切換。在空間一階諧波方向上，除了一組特殊編碼外，其余編碼序列在空所激發的遠場復振幅響應在復平面內均不相同，且滿足C??旋轉對稱性。因此，只需在一階諧波方向進行單次遠場電磁測量，即可幾乎完全恢復所有空間編碼信息。

技術優勢：高效、低功耗的通信架構

除了高效的信息映射，研究團隊還證明了通過引入周期編碼可優化通信架構的功率效率。周期編碼能夠將遠場輻射能量集中在諧波角度，從而減少非諧波方向的能量輻射，進一步提升系統的能量轉換效率。這種優化不僅提高了通信系統的功率效率，還減少了不必要的能量損耗，使得該技術在實際應用中更具可行性。

圖2|不同編碼序列在非周期編碼與周期編碼情況下所對應的遠場方向圖

當引入周期編碼后，遠場方向圖的峰值將集中于整數階諧波方向，因而可使系統在整數階諧波處具備更高的能量轉換效率。

實驗驗證與未來應用

為了驗證該技術的實際性能，研究團隊設計并制造了一個1比特相位調制的可編程超表面天線原型。該超表面由二維陣列組成，每一列通過PIN二極管實現相位狀態的切換。實驗結果表明，該超表面能夠在一階諧波方向上生成31個獨特的遠場響應狀態，且這些狀態在星座圖中呈現出對稱分布，與理論預測一致。

此外，研究團隊還展示了該技術在仿真實驗中數據傳輸的表現。通過將圖像數據編碼為二進制比特流，并利用所提出模型進行傳輸，研究團隊通過仿真實驗在信噪比為17dB的情況下下高質量重建了圖像。

圖3|基于可編程超表面天線的信息映射實驗測量結果和基于該模型的仿真數據傳輸；a-b，可編程超表面天線與其集成控制單元的實物照片；c-e，在一階諧波方向，通過實驗獲得的星座圖，超表面天線輸入功率分別為0.0125 mW(d)、0.025 mW(e)和0.05 mW(f)；f-h，利用仿真實驗，分別在SNR=7 dB(d)、12 dB(e)和17 dB(f)的條件下得到的傳輸圖像質量

未來展望：推動6G通信技術的發展

該研究成果不僅為可編程超表面天線在無線通信中的應用提供了新的思路，還為未來6G通信技術的發展提供新的技術方案。隨著移動通信網絡對數據傳輸速率和能量效率的要求不斷提高，可編程超表面天線有望成為下一代通信系統的關鍵技術之一。

研究團隊表示，未來的工作將集中在進一步優化天線設計、提升系統的抗噪聲能力以及擴展該技術在二維編碼中的應用。通過引入二維編碼，可編程超表面天線有望在更高的空間諧波方向上實現更高效的數據傳輸，從而進一步提升通信網絡的性能。

這項研究展示了可編程超表面天線在無線通信中的巨大潛力。通過結合非周期編碼和空間諧波測量，研究團隊利用該技術在單次測量中高效提取編碼信息。這一突破性進展為未來高速、低功耗的無線通信網絡提供了新的解決方案，有望推動6G通信技術的快速發展。隨著技術的不斷進步，可編程超表面有望在未來的移動通信、物聯網、自動駕駛等領域發揮重要作用，為未來通信網絡的構建提供新的技術思路。