低功耗可编程超表面天线助力空天地一体化 | 亮点文章

超表面作为下一代移动通信的潜在关键技术之一，具有电磁调控灵活、易集成、低成本等优势，在空天地一体化及万物互联等场景中展现出广阔的应用潜力。东南大学蒋卫祥团队在《光学学报》“超构光学3.0：光场调控前沿与赋能应用”专题发表的特邀论文“基于低功耗开关的2-bit可编程超表面天线”，提出了一种具备灵活波束扫描能力的2-bit可编程超表面天线；该超表面天线可良好适配定点与动态通信场景，分别为固定位置用户与移动用户提供稳定的无线通信链路。

文章链接：单欣卓; 王东杰; 宋超; 田翰闱; 张信歌; 蒋卫祥. 基于低功耗开关的2-bit可编程超表面天线[J]. 光学学报, 2026, 46(10): 1013011.

1、研究背景

面向新一代无线通信应用需求，探索低剖面、调控灵活且兼顾低成本与低功耗的波束扫描天线具有重要研究意义。超表面作为一种新型二维人工电磁结构阵列，能够对电磁波的振幅、相位和极化等特性进行精确调控，为波束扫描天线提供了新的实现方式。为提升系统集成度，基于辐射式超表面的波束扫描天线方案近年来受到广泛关注。然而，现有超表面天线多为1-bit相位调控，为实现高精度波束操控需要大规模阵列及复杂的并联馈电网络，使得系统的制造成本和功耗增加。

在此背景下，该工作提出了一种基于低功耗开关的2-bit可编程超表面天线。无线通信实验验证，该超表面天线可服务于定点与移动用户两类典型通信场景。

2、低功耗可编程超表面天线研究

研究所提出的低功耗可编程超表面天线，采用具有延伸枝节的开缝方环嵌套结构，单元结构如图1所示；配合电压驱动模块操控集成于该结构的开关，实现辐射相位的2-bit动态调控。为简化设计，超表面天线采用串联馈电结构，如图1(e)所示。单元的馈电传输线采用弯折设计，其中弯折部分相当于相位延迟线，用以确保每个单元的激励相位相同。研究团队制作了阵列规模为2×10的可编程超表面天线样机，远场测试结果显示，该超表面天线波束扫描范围可覆盖±45°。

图1 单元结构示意图（a）三维示意图（b）顶层贴片图案（c）直流偏置层（d）金属地（e）馈电层

随后，基于提出的可编程超表面天线搭建无线通信系统，图2给出了该超表面天线的部署方式。图3给出目标用户位于0°、15°和30°方向时，不同接收角度下的星座图。可以看到，当接收机与超表面天线方向对齐时，接收端的星座图分布清晰，能够正确解调并恢复图像信息；随着接收角度偏离主波束方向，星座图逐渐发散，通信性能显著下降，无法恢复有效信息。这表明该超表面天线可为目标方向的固定用户构建稳定的无线通信链路，而非目标用户无法有效接收信息。

图2 无线通信实验（a）生成QPSK符号的流程（b）实验场景

图3 5.9 GHz星座图（a）0°发射/0°接收（b）0°发射/15°接收（c）0°发射/30°接收（d）30°发射/0°接收（e）30°发射/15°接收（f）30°发射/30°接收

此外，提出的可编程超表面天线结合MCU电压驱动模块可实现波束指向的快速切换，理论切换速率可达0.25 μs/次，具备为高速移动用户构建稳定通信链路的能力。基于此，研究团队搭建面向移动用户的无线通信实验系统，喇叭天线固定于滑轨的可移动滑块上，以此模拟移动用户，具体实验场景如图4（a）所示。实验过程中，模拟用户从滑轨的45°位置以15°为间隔逐步移动至−45°位置，超表面天线则按照烧录至MCU的编码序列依次切换波束指向，为移动用户提供通信服务。图4（c-f）为45°至−45°方向上接收星座图，可见各方向下的星座图形状分布清晰，传输图像也实现无失真恢复；这充分验证该可编程超表面天线对移动用户终端的实时波束覆盖与跟踪能力。

图4 移动用户通信实验场景与通信星座图（a）实验场景（b）用户移动至15°的星座图（c）用户移动至−15°的星座图（d）用户移动至30°的星座图（e）用户移动至−30°的星座图（f）用户移动至45°的星座图（g）用户移动至−45°的星座图

3、后续工作展望

该团队长期深耕于电磁超表面、光调控可编程超表面与声电超表面领域，后续将持续推进该领域的前沿探索，为下一代移动通信的技术革新提供方案参考。

作者简介

蒋卫祥，东南大学首席教授、博士生导师、教育部“长江计划”特聘教授、中国光学工程学会微纳专委会副秘书长、中国材料学会超材料分会常务理事。长期从事电磁超材料与可编程超表面研究，承担国家自然科学基金重大项目课题、国家自然科学基金联合重点项目、173重点项目课题等，在Nature Electronics、Nature Communications 等学术期刊发表论文140余篇，撰写相关领域学术专著三本，所发表论文被国内外同行正面引用8500余次，H指数52。2020-2025连续六年入选“中国高被引学者”，入选全球前2%顶尖科学家终身榜单，曾获2014年和2018年国家自然科学二等奖（均排三）、国际无线电科学联盟“青年科学家奖”、首届国际基础科学大会“前沿科学奖”、2011年教育部自然科学一等奖（排二）和江苏省青年科技奖，曾获国家基金委优青资助、曾入选全国优秀博士学位论文作者、江苏特聘教授。

张信歌，东南大学青年首席教授，国家高层次青年人才。主要从事光电信息超表面及超表面光电融合应用研究。近年来，以第一/通讯作者在Nature Electronics、Nature Communications、Advanced Materials、Light: Science & Applications、IEEE Transactions on Antennas and Propagation 等期刊发表论文30余篇，自2023年连续入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。获首届国际基础科学大会前沿科学奖、中国超材料十大进展、2025年国际应用计算电磁学会议青年科学家奖、第八届中国光学工程学会创新论文奖、2023年江苏省自然科学百篇优秀学术成果论文等。

单欣卓，东南大学信息科学与工程学院硕士研究生，导师为蒋卫祥教授，研究方向为新型人工电磁材料。