6G信息超材料技术白皮书(2022)

时间：2023-06-25

　　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(FrequencySelective Surface,FSS)以及人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)等也属于广义的超表面范畴。

　　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[J,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年7月，中国移动携手东南大学电磁空间科学与技术研究院率先在5G现网完成智能超表面技术实验，结果表明智能超表面可根据用户分布灵活地调整无线环境中的信号波束，显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率，预示了信息超材料技术在未来无线通信中的广泛应用前景。

　　本白皮书介绍了信息超材料在天线、智能反射表面、波束赋形的超表面基站以及信息直接调制超表面基站四大领域的应用，为6G通信网络提供全新的设计理念和技术手段。