低功耗自适应可重构超表面：电磁波智能感知与动态反射控制的突破

近年来，可重构电磁超表面已成为应用电磁学领域的研究热点之一。它们通过外部控制实现功能动态切换，突破了传统超表面在动态控制能力方面的局限，拓展了应用场景。然而，现有可重构超表面大多依赖复杂的外部控制器和辅助检测设备，导致系统的复杂性和能耗增加。本文介绍了一种新型的自适应可重构超表面，能够实时感知入射波的方向并自动调整反射方向，无需传统自适应超表面的外部控制器和复杂检测设备，为电磁波动态调控领域引入了新概念。

图1. 自适应超表面对未知入射电磁波入射方向的检测与反射方向的调控。

如图2所示，超表面单元利用接收-转发结构与电控移相器芯片，在2.4 GHz频段实现了对电磁波反射相位的调控。超表面由多个单元组成，并利用一个相位比较器芯片测量两个相邻单元接收到的电磁波的相位差。此外，超表面上还额外集成了一个查找表（Lookup Table）模块，用于电磁波入射角的计算。当电磁波入射到超表面时，不同位置的单元会接收到相位略有不同的信号，从而产生相位差。这一相位差正比于入射角的正弦值。通过精确测量这些相位差，查找表可以计算出对应的入射角，并映射到预设的超表面反射相位分布。查找表根据反射相位分布，输出每个单元移相器所需的控制电平，实现反射电磁波方向的动态调控。

图2. 自适应超表面的单元结构。

该工作通过三个实验展示了新型自适应超表面的入射角检测的精确性，不同入射角下反射波束指向的稳定性，以及入射角动态追踪的实时性。所设计的自适应超表面实物如图3a-b所示，实验测试环境如图3c。实验结果表明，在±50˚以内入射的情况下，所检测到的入射角与真值的平均绝对误差（MAE）仅为1.18°，最大误差范围为±3°（见图3d）。根据预设的垂直反射功能，超表面能够准确地将±50˚以内入射的电磁波反射到超表面的法线方向（见图3e）。此外，在动态条件下，当入射角变化速度高达12 deg/s时，超表面仍能快速且准确地调整反射相位分布，保持反射角稳定（见图3f）。理论分析显示，该超表面对电磁波的入射角速度容限可达至少2000 deg/s。实验验证了该超表面的电磁波入射角高精度检测性能，以及对入射波动态追踪与实时响应功能。

图3. 超表面的实物的正面（a）与背面（b）。（c）微波暗室中的双天线超表面测试环境。（d）±50˚以内的入射角检测。（e）垂直反射功能下的反射波能量分布图。（f）不同入射角速度下的法向反射强度曲线。

在系统集成层面，该超表面通过集成相位比较器和查找表，实现了对入射波方向的实时感知与反射方向的动态调整，摒弃了传统外部控制器（如FPGA）和复杂检测设备（如检波天线、摄像机），降低了系统复杂性和能耗。实验表明，该设计的功耗仅415 mW，远低于现有可重构超表面，且结构简单、控制逻辑简洁，在制造成本和能耗方面优势显著。这种自适应可重构超表面不仅适用于无线通信和雷达系统，还能在成像、传感和能量收集等领域发挥重要作用，为未来技术发展提供新思路。

本文提出的自适应可重构超表面，以其紧凑的系统设计和快速的实时响应能力，为电磁超表面领域带来了新的可能性。它不仅实现了对入射波方向的实时感知和反射方向的动态调整，还通过简化系统结构和降低能耗，提高了系统的实用性和经济性。未来，该技术有望在更广泛的频率范围内实现更复杂的功能，如宽带操作、大角度入射波的处理以及二维方向感知等。此外，进一步丰富控制算法将使该超表面在更多应用场景中发挥更大的作用，为电磁技术的未来发展开辟新的道路。

文章信息：

Bo-Wen Ren, Chu Qi, Peixing Li, Xiaoluo He, Alex M. H. Wong. A Self-Adaptive Reconfigurable Metasurface for Electromagnetic Wave Sensing and Dynamic Reflection Control. Advanced Science (2025).

https://doi.org/10.1002/advs.202505155

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