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） 11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 （ElectromagneticBandGap,EBG）、频率选择表面（Frequency SelectiveSurface,FSS）以及人工磁导体（ArtificialMagneticConductor, AMC）等也属于广义的超表面范畴。中国移动 6G信息超材料技术白皮书（2022） 2 图1：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 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[1]，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[2,3]。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中国移动 6G信息超材料技术白皮书（2022） 3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。 2超材料应用于天线领域 超材料应用在无源天线的技术比较成熟。不论是降低互耦提升单 元间隔离度，还是改变谐振特性来改变单元的相位，本质就是改变超 材料的表面阻抗。以下是一些典型的应用及其原理： 图2：超材料在天线中的应用中国移动 6G信息超材料技术白皮书（2022） 4将超材料用于天线盖板[5]或者使用超材料隔离条[6]，可降低天线 单元间空间波或者表面波的传播，从而达到降低天线之间的互耦，提 升单元间的隔离度的目的；或者将超材料（FSS）作为天线的反射板 实现一个频段天线对另一个频段天线“电磁透明”，从而实现有限空 间内的多频段天线集成。目前已在部分基站天线中有所应用。 此外，用不同相位响应的周期结构构成超材料平面透镜来代替传 统的曲面透镜[7]，易于共形和加工，并通过在焦平面放置不同馈源实 现多波束；通过ZIM的超材料盖板[8]可以实现波束的汇聚从而实现天 线增益的提升；采用周期排列或准周期排布的超材料阵列作为天线阵 列的辐射单元[9]来减小表面波传播，从而不仅可减小互耦,还可以展宽 频带宽度和提升天线增益。 还有，AMC超材料结构还可以在不降低天线增益的前提下降低 天线剖面[10]：传统天线辐射单元会距离金属反射板1/4波长，这是由 于天线辐射单元照射到金属板上，其反射波的相位会叠加180度相位， 为保证较高的辐射效率，即反射波和天线直接辐射的电磁波同相，天 线需要和金属反射板通过保证1/4波长的高度。若采用AMC代替金 属反射板，当天线辐射单元照射到上AMC时，反射相位可以为零， 即不需要1/4波长的高度来保证天线辐射效率，从而起到降低天线高 度的作用。 3基于信息超材料的智能反射表面 智能反射表面(IntelligentReflectingSurface，IRS)，也称为可重中国移动 6G信息超材料技术白皮书（2022） 5构智能表面(ReconfigurableIntelligentSurface，RIS)，是一种可以重 新配置的超表面。因无源的反射特性和简单的硬件架构，智能反射面 通过构建可控无线环境，将给6G通信系统带来一种全新的通信网络 范式，满足未来移动通信需求。下文将从智能反射面的技术原理、工 作模式、应用场景、性能验证及面临挑战等方面进行