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6G信息超材料技术白皮书
中国移动通信有限公司研究院
东南大学电磁空间科学与技术研究院
目录
1 引言1
2 超材料应用于天线领域3
3 基于信息超材料的智能反射表面4
3.1 原理5
3.2 工作模式7
3.3 应用10
3.4 性能验证12
3.5 挑战19
4 基于信息超材料的波束赋形基站20
4.1原理21
4.2应用挑战22
5 基于信息超材料的直接调制基站23
5.1 原理23
5.2 应用挑战24
6 总结26
7 白皮书贡献单位26
参考文献27
中国移动 6G信息超材料技术白皮书 (2022)
1 引言
超材料(Metamaterial)于1968年被提出,并在近20年间受到广泛
关注。其英文单词中的前缀meta是超越、超过的意思,表示超材料
具备自然界材料所不具备的特性。超材料的“超”并非归因于构成材
料本身,而是因为新颖的结构赋予其超越自然材料的能力和范畴。超
材料被广泛用于光学、声学、热学、电磁学、结构力学等领域。
电磁超材料 (以下简称超材料)是根据电磁功能需求而设计和加
工的,因而也被称为人工电磁媒质。超材料由按照一定规则 (周期或
非周期)排列的人工微结构组成,这些微结构由介质或介质+金属等
材料构成,并具有亚波长尺寸 (0.1-0.5 波长)。
起初,超材料的设计遵循等效媒质理念,最早提出的左手材料具
备负折射率、负多普勒等特性,可用于雷达隐身等场景,在电磁学和
材料学的发展过程中具有重要意义。然而,等效媒质超材料属于三维
结构,厚度大且不易加工,在工程应用中有很大的局限性。随后,超
材料的概念被增广和扩充,其他人工结构也被纳入超材料的范畴。特
别地,超表面(Metasurface)是由亚波长平面单元组成的二维结构,与
早期的等效媒质超材料相比具有低剖面、低成本、易加工的优点,因
而在电磁领域吸引了大量关注并得到广泛应用。传统的电磁带隙结构
(Electromagnetic Band Gap,EBG)、频率选择表面 (Frequency
Selective Surface,FSS)以及人工磁导体(ArtificialMagneticConductor,
AMC)等也属于广义的超表面范畴。
1
中国移动 6G信息超材料技术白皮书 (2022)
1
图 :超材料的原理
传统超材料通过对单元结构参数的调整达到控制电磁波的目的,
在制备完成后其功能即被固化,无法根据需求作二次调整。2014 年,
东南大学崔铁军院士团队在国际上率先提出数字超材料的概念,并展
示了第一块现场可编程超材料,借助FPGA 输出序列调整超表面单元
[1]
内部二极管开关的通断,在物理空间实现对电磁波的直接调控 ,开
创了数字可编程超材料研究的先河,并在国际上引发大量关注。之后,
变容管、三极管、MEMS、液晶、石墨烯、相变材料等被引入超表面
研究,调控手段得以进一步丰富,实现了对电磁波幅度、相位、极化
等状态的灵活调控。随后,崔铁军院士在融合信息、电子、材料等科
学的基础上提出了信息超材料的概念,将超材料的研究由单纯的空间
编码拓展至空间时间频率等多域联合编码,并应用于对空间电磁信- -
[2,3]
息的直接调制 。该系列工作开创了连接数字世界与物理世界的新
范式,并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究作了基础性和
前瞻性铺垫,具有里程碑意义。
2021 7
年 月,中国移动携手东南大学电磁空间科学与技术研究
2
中国移动
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