上世纪六七十年代，隐身技术红极一时，即使在今天，隐身材料依然是尖端技术。使物体可以在光天化日之下“隐身”的，是一种等效超材料，这种超材料通过人工微结构构造出了一些自然界不存在的材料参数，通过特殊的材料参数控制了电磁波，形成了“隐身”“黑洞”这样的电磁效果。

超材料对电磁波的控制引起了很多专家学者的研究兴趣，在中国的发展速度也很快，目前我国在超材料领域的研究已经处于全球第一梯队中。

014年，中国科学院院士、东南大学毫米波国家重点实验室主任崔铁军团队首次将超材料对电磁波的动态控制，以数字编程的方式实现，从而为6G技术研究打开了一个新的领域，这种超材料被命名为“信息超材料”，并以其灵活性、低成本和高效率，成为当前6G研究的宠儿。

今年4月7日，智能超表面（RIS）技术联盟成立，智能超表面是信息超材料的应用技术之一，吸引了国际、国内80多家单位，涵盖大专院校、科研机构、学术团体、标准化组织，以及终端与芯片、仪器仪表、设备制造、运营企业等上下游单位。

一、信息超材料

不同于传统超材料的等效媒质参数表征, 信息超材料由物理单元的数字编码来描述, 通过控制不同的编码序列来实时地调控电磁波, 进而实现超材料的现场可编程功能. 由于在超材料的物理空间上构筑起数字空间, 因此可在超材料的物理平台上直接处理数字信息, 实现了信息系统微波射频和数字信息处理的统一。

信息超材料技术一诞生，就显示出在多种场景中应用的潜力。在FPGA之后，崔铁军团队又在研究加入传感器和人工智能算法，以此来实现信息超材料的自适应能力。例如一个飞行中的飞机可以利用这种技术自动将电磁波主波对准特定的卫星。

二、受宠6G研究

一种颠覆性技术的引入，往往是传统的技术路径在满足新需求时碰到不好逾越的困难。人类在解决最基本的自身保暖的问题上，上千年主要利用棉花，但要实现又保䁔又轻便，棉花明显不如羽绒。这也是6G研究中一直在寻找原创性技术的原因，希望另辟蹊径解决问题。

无线通信技术从3G开始，为了实现更大的信号传输的吞吐量，在天线技术上做了很多改进，从智能天线到多天线，从多天线再到天线阵列，4G时就引入了天线阵列（MIMO），5G引入了大规模天线阵列（Massive MIMO）。天线的数量从1对（发射和接收各1根天线）开始，经历2对、4对、8对，现在主流5G宏基站普遍用的是64对天线。在5G研究之初，大家热衷讨论的甚至是128对、256对。

从理论上讲，更高的天线对数带来更好的传输带宽，但为什么128对、256对天线并没有规模商用？因为5G和6G都面临一个系统性的挑战，MIMO、毫米波通信的天线的核心体制是阵列体制，一个明显的缺点是成本高、系统复杂、功耗大。

崔铁军认为， 6G采用超大规模天线阵列或者使用太赫兹频段时，这个矛盾会更加突出。而信息超材料则给出了一种路径，通过超材料对电磁波的控制，可以把天线的物理特性与基带的数字特性结合起来，简化了天线技术，而且功耗明显降低，成本也会有明显下降。

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。

三、智能超表面技术

近年来，有一种技术引起了业界的广泛关注，它从外表上看就是一张平平无奇的矩形薄板，却可以灵活部署在无线通信传播环境中，并实现对反射或者折射电磁波的频率、相位、极化等特征的操控，从而达到重塑无线信道的目的。

这种技术，将有望在5G-Advanced协议中开始标准化，也被认为是6G关键技术之一。

它的名字叫做“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文为RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface）。

RIS的技术基础，则是一种被叫做“信息超材料”的人工材料。

随着相关理论和技术的成熟，在过去的十几年中，超材料被广泛用于操纵电磁波，实现了许多激动人心的物理现象，如负折射、电磁黑洞和幻觉光学等等。

早期的超材料功能单一，只能按照固化的模式工作，不能实时调控电磁波，因此我们将其称之为模拟超材料。后来，超材料可通过数字编码实现对里面人工原子状态的动态控制，从而实时操控电磁波，就叫做“信息超材料”。

信息超材料的基本结构如下图所示，每一个人工原子（或者叫超原子）都可以由含有偏压二极管的微电路组成，在不同的电压下可以实现“ON”或者“OFF”等不同状态，对电磁波的响应也是不同的。

实际实现时，人工原子也可以采用PIN管、三极管、MEMS、石墨烯、温敏器件、光敏器件等其他材料。

“ON”和“OFF”这两种状态，正好可以对应到信息世界的0和1，通过把这些单元配置为0或者1，超材料也就具备了动态编码的能力。在不同的编码下，信息超材料可以通过反射形成不同形状的电磁波束，从而实现动态操控电磁波的目的。

通过对信息超材料的深度设计，可以实现对入射电磁波多个维度的操控，包括频谱、相位、幅度、极化等等，这就为将其在移动通信中的应用创造了条件。

四、信息超材料可以分三步走来实现

在中国移动近期发布的《6G信息技术超材料白皮书》中，集中反映出了中国移动对超材料、信息超材料在通信中应用的探索。

中国移动研究院首席专家袁弋非说：“通信中的超材料可以用于超材料天线、智能反射面、波束赋型超表面基站和信息调制超表面基站中。”

超材料可以用于做天线盖板，提高天线收发信号的能力、降低天线高度。信息超材料有一个很大的用途是做智能反射面（RIS），具有灵活部署、节能的优点，还能够扩大网络的覆盖，提升网络容量，并且抑制电磁干扰。

从应用部署上来看，信息超材料可以分三步走来实现。

袁弋非说，“第一步最简单，超材料是静态和半静态的工作模式，适合用来做网络补盲，优点是控制简单，缺点是不够灵活，第二步是折中，事先给超材料环境分配一些波束，需要不断调整，灵活性差一些；

第三步是在小尺度的信道上做实时的调整，不断做估计和反馈，从而对每一个天线振子的相位做单独的动态调整，充分发挥智能超表面的性能优势。当然第三步是比较复杂的，现在也存在很多技术挑战。”

这种革命性技术的挑战也是明显的。袁弋非说，目前挑战主要在硬件实现、工程部署、方案设计和组网架构上。

从硬件看，二极管等器件的切换速率是受限，实现高频率的动态调控有难度，由于目前器件成熟度不够，材料制做成本偏高；在工程部署上，智能超表面的面板尺寸比较大，风阻大，和现在的天线面板相比，不易部署；在理论上，缺乏可靠完整的传输理论基础、信息和系统模型；而且控制方式的改变，对网络架构设计、功耗等都有影响，在多带宽、多制式下的组网方案还要进一步明确。

结语：

基于信息超材料的无线通信系统新架构也引起了国内外通信领域学者的极大关注, 从接收机、信道模型、路径损耗模型、能耗等多种不同角度对新机制无线通信进行了大量研究, 被视为下一代无线通信的候选技术之一。

自从2014年提出数字编码和可编程超材料的概念以来, 信息超材料已经发展成为一个新的领域, 这个领域在不到六年的时间里得到了长足发展。信息超材料的提出不仅简化了超材料的设计流程, 提高了电磁波调控的灵活度, 扩大了调控范围, 实现了实时调控。

其最大的特色是在超材料的物理空间上构建了数字空间, 从而可对电磁波的物理特征和数字信息同时进行调控, 促进了其与物理和信息领域的原理方法相融合, 进而涌现出一系列诸如信息熵、卷积定理、加法定理等可对信息量、电磁波的幅度、相位、极化、频谱、波束灵活调控的全新算法.。

更为重要的是, 信息超材料将超材料的研究从物理、材料、器件推向新构架系统, 通过将微波射频和数字信息处理构建于同一平台, 研制出基于信息超材料架构的全息成像、微波成像和无线通信系统。

文章来源:物理学报,通信深海,中国电子报