空军工程大学王甲富教授团队联合东南大学崔铁军教授团队在智能超表面技术领域取得关键突破，成功研发基于“异或”逻辑相位编码的低功耗可编程超表面，大幅简化了传统可编程超表面的馈电网络设计，实现了电磁波的高效动态调控，为下一代无线通信、物联网、雷达等低功耗智能系统发展提供了全新技术方案。相关研究成果以《XOR-Logic Phase Coding Programmable Metasurface for Low Power-Consumption Systems》为题，发表于国际知名期刊《Advanced Science》，空军工程大学朱瑞超讲师为第一作者，王甲富教授、随赛副教授与东南大学崔铁军教授为通讯作者。
DOI:10.1002/advs.202521960
可编程超表面作为动态调控电磁波的核心智能器件，是构建智能电磁信息系统的关键支撑，被广泛应用于无线通信、雷达探测、电磁隐身等诸多领域。但传统可编程超表面设计存在难以逾越的技术瓶颈：为实现对 m×n 个编码单元的独立实时调控，需搭建结构复杂的 m×n 维馈电网络，不仅硬件集成难度大、制造成本高，还会产生高额驱动功耗，严重限制了超表面的大规模阵列化应用和低功耗场景落地。针对这一难题，空工大与东南大学跨校联合，发挥双方在人工结构功能材料、毫米波技术领域的科研优势，另辟蹊径将异或逻辑引入超表面相位编码体系，实现了技术的创新性突破。
团队设计的异或逻辑相位编码超表面，以中心对称结构为基础，在Pancharatnam-Berry（PB）相位理论支撑下，通过嵌入两枚对称 PIN 二极管，利用表面电流的路径对称性实现精准的异或逻辑相位编码。当两枚二极管处于相同状态（均开 / 均关）时，超原子呈现“0”相位响应；处于不同状态（一开一关）时，呈现“1”相位响应。这一创新设计将传统需要 m×n 条偏置线的二维复杂调控，转化为简单的行列独立控制，仅需 m+n 条偏置线即可实现所有超原子 0/1 状态的独立切换。以 30×30 的超表面阵列为例，偏置端口数量从 900 个锐减至 60 个，降幅达 96%，不仅大幅简化了硬件设计架构，更从根本上降低了系统驱动功耗，完美契合低功耗智能系统的应用需求。
联合团队在微波暗室完成了全套仿真与实测验证。并基于软件定义无线电平台开展无线通信实验，将演示视频转化为比特流通过 QPSK 调制传输，成功实现了不同偏转角度的稳定无线通信，且在正、反向供电模式下均能保持可靠的信号传输，充分验证了异或逻辑控制设计在通信系统中的供电鲁棒性与实际应用价值，也印证了跨校联合研发的技术成果具备极强的工程化潜力。
相较于传统可编程超表面技术，此次联合研发的异或逻辑控制低功耗可编程超表面具备三大核心优势：一是功耗优势显著，偏置网络的极致简化直接减少硬件驱动能耗，适配物联网、便携式智能设备等低功耗应用场景；二是设计架构极简，行列交叉的异或逻辑控制模式大幅降低了超表面的硬件集成难度与制造成本，为大规模阵列化应用扫清障碍；三是功能稳定可靠，实测验证其在波束扫描、多波束散射、定向无线通信等场景均具备高效的电磁波调控能力。
该工作创新性地将异或逻辑融入可编程超表面设计，把传统 m×n 维复杂偏置网络简化为 m+n 维行列控制，大幅降低了系统功耗与硬件集成难度，打破了可编程超表面大规模阵列化应用的核心壁垒，重构了“极简、低耗”的超表面研发范式；同时，该技术基于成熟商用工艺制备，兼具高稳定性与实用性，推动超表面技术从实验室验证走向工程化、产业化落地，降低了行业应用门槛。该技术凭借低功耗、波束精准调控、多模式灵活切换及供电鲁棒性强的核心优势，应用前景十分广阔：在下一代无线通信领域，可作为智能反射面实现波束赋形、多用户同时通信与信号盲补偿，助力 5G-A/6G 网络实现高速、泛在覆盖；在雷达系统中，能替代传统相控阵天线，实现快速波束扫描与多目标探测，适配机载、车载等多元场景，推动雷达小型化轻量化发展；在物联网领域，其低功耗特性可满足海量智能终端的电磁调控与定向通信需求，提升系统可靠性；在卫星通信中，可精准调控星地信号传播路径，补偿环境干扰，增强通信抗干扰性与覆盖精度；同时还可拓展至电磁隐身、智能传感、无线充电等领域，为各类智能电磁信息系统的集成化、低功耗发展提供核心支撑。
这项研究发表于论文《XOR-Logic Phase Coding Programmable Metasurface for Low Power-Consumption Systems》。
本文内容基于空军工程大学团队的研究成果，聚焦材料技术核心与应用价值，旨在传递前沿科技进展。
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https://doi.org/10.1002/advs.202521960
供稿：课题组
