近日，东南大学毫米波全国重点实验室崔铁军院士课题组、南京航空航天大学罗宇教授和新加坡南洋理工大学郑元谨教授合作在Nature Electronics上发表了题为“A programmable metasurface antenna that approaches the wireless information mapping limit”的研究论文。该研究提出了一种基于可编程超表面的极限信息映射模型，通过单次测量可获取超表面的几乎全部空间编码信息，为基于可编程超表面的高效通信系统奠定理论基础。崔铁军院士，罗宇教授和郑元谨教授为论文通讯作者，东南大学博士毕业生（现为南洋理工大学博士后研究员）吴浩天、东南大学博士生邵睿文为共同第一作者。东南大学程强教授、东南大学徐之遐教授、东南大学武军伟教授、浙江大学谭述润教授、南洋理工大学博士后王希晰、东南大学博士生祁振杰也为该工作做出重要贡献。
近年来，可编程超表面在无线通信、计算成像、电磁神经网络等信息处理领域的应用日益广泛。基于可编程超表面的新型通信网络架构因无需混频器等射频器件，具有系统架构简易和信息直接调制等优势。然而，目前基于可编程超表面通信系统的信息映射效率较低，限制了系统的通信速率，为基于可编程超表面通信网络的发展带来了挑战。
为解决上述问题，需要构建适配可编程超表面的信息映射模型。具体而言，对于一维1比特相位编码的可编程超表面，当其可编程的列数为p时，可产生2p个不同的编码态，从而生成2p个远场方向图。为了实现最优的信息映射效率，本研究旨在通过单次远场测量获取更多的空间编码信息。
研究表明，当远场测量角度垂直于超表面时，由于远场响应的较高简并性，2p个编码序列仅能生成p+1个不同的远场电磁响应，其对应的信息映射效率较低。通过结合代数分析、群论和矩阵分析，本研究证明，当超表面的列数p为奇质数时(p=3,5,7...)，如果选择空间一阶谐波方向为信号接收角度（θ=arcsin(λ/pd)，其中d为超表面单元宽度），则除一组编码外，其余2p-1个编码序列在空间一阶谐波处所生成的远场电磁响应各不相同，具有接近于百分之百的信息映射效率。此外，由这2p-1个编码态所生成的星座图在空间一阶谐波处的复振幅响应满足C2p对称性，如图1-2所示。
图1 基于1比特可编程超表面的极限信息映射模型；当超表面列数p为奇质数且每列的宽度为d时，除一组编码外，其余所有2p-1组空间编码序列在空间一阶谐波方向产生的远场响应会在复平面上形成一个2p-1个不同的复振幅响应，所构成星座图有C2p对称性；基于该信息映射模型，只需在远场单个角度进行单次测量即可获取几乎全部空间编码信息。
图2 编码序列长度为奇质数时，可编程超表面在垂直方向与空间一阶谐波方向的远场响应所构成的星座图。a-c，序列长度分别为p=3、p=5和p=7时，2p种空间编码序列；d-f，可编程超表面所有编码序列在垂直方向所生成星座图，η₀为对应信息映射效率；g-i，可编程超表面所有编码序列在空间一阶谐波方向所生成星座图，η1为对应信息映射效率。
基于上述理论发现，研究人员设计了辐射式1比特可编程超表面天线，如图3所示。超表面天线的中间5列用于辐射电磁波，周边4列作为虚拟单元，用于优化边界条件而减少边缘效应。超表面背板的每一列集成了PIN二极管，通过改变偏置电压的极性，可改变二极管的等效电路结构，从而实现超表面天线每一列的1比特相位调制。
在实验中，超表面天线的编码序列由单片机控制。通过改变编码序列，实验测得了每组编码序列在一阶谐波处的复振幅响应，生成的星座图如图4所示。实验获得的星座图与理论预测结果一致，验证了该模型的有效性。研究人员基于实验获得的星座图，设计了图片传输的仿真通信实验。仿真结果表明，利用该模型可实现接近极限的信息映射效率，当信噪比为17dB时，可以实现图片的高质量传输。该理论发现和实验验证有望为基于超表面的高效信息调制和无线通信提供了理论支撑。
图3 可编程超表面天线模型示意图；a-b，可编程超表面天线的正面(a)和背面(b)，中间五列为辐射单元，外侧四列为伪单元(dummy elements)；c，可编程超表面天线的单元结构示意；d，在每列单元中均集成PIN二极管，用于调控单元相位状态；e，PIN二极管在不同偏压下的等效电路模型。
图4 基于可编程超表面的信息映射实验结果；a-b，可编程超表面天线与控制单元图；c-e，在一阶谐波方向，不同功率下实验测得星座图。
图5 基于该信息映射模型的仿真图像传输；a-c，将噪声引入至实验测得的星座图中以模拟不同信噪比；d-f，在不同信噪比的条件下，基于该模型所得到的图片传输效果。
Haotian. Wu, Ruiwen Shao, Zhixia Xu, Junwei Wu, Shurun Tan, Xixi Wang, Zhenjie Qi, Qiang Cheng, Yuanjin Zheng, Yu Luo, Tie Jun Cui, A programmable metasurface antenna that approaches the wireless information mapping limit. Nat. Electron. Doi: 10.1038/s41928-024-01298-7 (2025).
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01298-7
供稿：课题组
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