东南大学崔铁军AS：可同时智能感知和波束赋形的自适应信息超表面

摘要：团队设计了一种可同时智能感知和波束赋形的自适应信息超表面，超表面无需额外配置传感器，其自身可对近场信号源进行精确定位，并根据定位信息改变超表面的编码矩阵实现自适应波束赋形。该工作的设计方法为后续的调控/感知一体化的设计提供了新思路。

关键词：自适应超表面，信息超表面，智能感知，自适应波束赋形

智能超表面可实时感知并处理多种外部环境特性，并根据环境特性变化灵活调控超表面阵列的编码实现不同的电磁功能，在功能可定制和智能自适应方面有较大的应用潜力。感知超表面作为超表面智能化的前置条件和重要硬件保障成为最近多个科研团队的研究热点。传统感知超表面的感知目标（例如俯仰姿态、温度、湿度、光强等）与超表面调控目标（电磁波）的不一致性使其应用场景受到限制。感知/调控同频电磁波的超表面具有更广阔的应用场景，并有望在通感一体化的新体制通信场景中得到部署。

然而，现有文献报道的电磁感知超表面只是在阵列中部署一个或几个感知单元，用以捕获、采集若干个空间点的电磁特性（例如幅度、频率、极化）。这些简单的电磁感知能力无法满足高度智能化的应用需求。针对这个问题，团队提出了一种可同时智能感知和自适应波束赋形的超表面。超表面阵列由大量的SFPRS单元构成，阵列中无需外置额外传感器。一方面，SFPRS单元可作为高效的1比特反射相位调制器在2个状态下反射大部分入射波并保持相位相差180°；另一方面，一小部分入射波被顶层金属图案捕获，能量经过金属孔在底层转化为导行波进入均方根功率检测器的输入端。功率检测器的输入功率与输出电压成线性关系，因此可通过输出电压计算出每个单元的接收信号强度。微控制单元（MCU）收集阵列中每个SFPRS单元的接收信号强度后可得到二维空间中的接收信号强度图案（RSSP），用于估计入射功率源的位置。基于感知结果，可编程门阵列（FPGA）能执行多种智能应用。本实验以自适应波束赋形这一典型智能应用为例，展示了超表面的自适应和智能决策的能力。

SFPRS单元是实现智能感知和自适应波束赋形的硬件基础，由4层金属和2层介质板构成。在第一层金属中，PIN管将开槽金属片和2个垂直的金属枝节相连接，通过控制PIN管的“ON”和“OFF”状态使反射相位差保持180°。第二层的开孔金属地可反射大部分入射波，并能作为直流地方便馈电。第三层和第四层分别用来放置直流馈线和感知链路。在中心频点3.475GHz处，单元的1比特反射幅度均大于-2.8GHz，并且在50MHz的带宽内保持180±9°范围内的反射相位差。单元结构沿x轴和y轴对称，因此具有极化不敏感特性。对于感知功能，1比特的两个状态的感知损耗在中心频点处基本保持一致，且均大于-10dB，满足智能感知的要求。

为验证设计的超表面具备智能感知和自适应波束赋形的能力，在室内环境中分别测试了近场功率源的定位精度和自适应波束赋形的远场方向图。在近场功率源的定位精度测试中，处于近场的喇叭天线向超表面发出一定功率的入射波。所有超表面单元均设为“OFF”状态以降低感知功能的功耗，MCU通过实时收集并处理RSSP，对功率源目标进行定位。一共进行了10组不同位置的定位精度测试，其中最恶劣的测角误差和测距误差分别为3.8°和38 mm。通过实时感知近场源位置信息并实时提供合适的数字编码，该超表面实现了自适应波束赋形功能。实验表明，测量的远场方向图的-3dB波束宽度可覆盖预期的偏折角度，验证了所提出的基于电磁感知的自适应波束赋形概念。

相关工作以“Simultaneously intelligent sensing and beamforming based on an adaptive information metasurface”为题发表在Advanced Science上（DOI: 10.1002/advs.202306181），东南大学博士研究生蒋睿哲、至善博后马骞博士和硕士研究生顾泽为共同第一作者，崔铁军院士、程强教授和马骞博士为论文的通讯作者。