超材料对电磁波的掌握引起了很多专家学者的兴趣，其研究在中国的发展速率也很快，目前我国在超材料领域的研究已经处于环球第一梯队中。
2014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掌握，以数字编程的办法实现，从而为6G技能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”，并以其灵巧性、低本钱和高效率，成为当前6G研究的宠儿。
今年4月7日，智能超表面（RIS）技能同盟成立。
智能超表面是信息超材料的运用技能之一，吸引了国内外80多家单位参与，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、运营企业等高下游单位。

首创连接数字天下与物理天下新范式

做隐身用的等效材料有一个明显的缺陷，便是个中的人工微构造是固定的，不能变革，这意味着功能也是固定的，不能按照意愿实时掌握电磁波，限定了超材料的运用处景，降落了利用代价。

2014年，崔铁军院士团队在国际上率先提出数字超材料的观点，并展示了第一块现场可编程超材料，借助FPGA输出序列调度超表面单元内部二极管开关的通断，在物理空间中实现了对电磁波的直接调控，首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。

“我们要把一个无源的微构造做成一个动态的有源超材料（无源指无需供电，有源指须要供电），便是要实现两个目标，一是微构造要能对电磁颠簸态调控，二是可以用数字来实现这种调控。
”崔铁军说。

在数字超材料中，数字0和1代表的是两种相反的物理状态，例如相位的正相和反相，0透射和全透射等。
在最初的设计中采取有源的二极管（PIN）来设计这个微构造，当二极管接通和断开时，会产生180 的相位差，同时二极管的接通和断开也可以对应高电平和0电平，这恰与数字电路中的0和1是相同的，从而将电磁波掌握的物理行为与数字电路的0和1的打算对应起来。

在二极管之后，变容管、三极管、MEMS、液晶、石墨烯、相变材料等都被引入超表面研究，调控手段进一步丰富，实现了对电磁波幅度、相位、极化等状态的灵巧调控。
随后，崔铁军院士在领悟信息、电子、材料等科学的根本上提出了信息超材料的观点，将超材料的研究由纯挚的空间编码拓展至空间-韶光-频率等多域联合编码，并运用于对空间电磁信息的直接调制。
这一系列事情首创了连接数字天下与物理天下的新范式，并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究做了根本性和前瞻性铺垫，具有里程碑意义。

信息超材料技能一出身，就显示出在多种场景中运用的潜力。
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。

超材料将在6G受宠

一种颠覆性技能的引入，每每是由于传统的技能路径在知足新需求时碰到不好超出的困难。
人类在办理最基本的自身保暖的问题上，上千年紧张利用棉花，但要又保暖又轻便，棉花明显不如羽绒。
这也是6G研究中一贯在探求原创性技能的缘故原由，希望另辟路子办理问题。

从3G开始，无线通信技能为了实现更大的旗子暗记传输吞吐量，在天线技能上做了很多改进，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（发射和吸收各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，大家热衷谈论的乃至是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？由于5G和6G都面临一个别系性的寻衅，MIMO、毫米波通信天线的核心系统编制是阵列系统编制，一个明显的缺陷是本钱高、系统繁芜、功耗大。

崔铁军认为，6G采取超大规模天线阵列或者利用太赫兹频段时，这个抵牾会更加突出。
而信息超材料则给出了一种路径，通过超材料对电磁波的掌握，可以把天线的物理特性与基带的数字特性结合起来，简化了天线技能，而且功耗明显降落，本钱也会明显低落。

2021年7月，中国移动携手东南大学电磁空间科学与技能研究院率先在5G现网完成智能超表面技能实验，结果表明，智能超表面可根据用户分布，灵巧地调度无线环境中的旗子暗记波束，显著改进现网弱覆盖区域的旗子暗记强度、网络容量和用户速率，预示了信息超材料技能在未来无线通信中的广泛运用前景。

未来运用要分三步走

在中国移动近期发布的《6G信息技能超材料白皮书》中，集中反响出了中国移动对超材料、信息超材料在通信中运用的探索。

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，提高天线收发旗子暗记的能力、降落天线高度。
信息超材料有一个很大的用场是做智能反射面（RIS），具有灵巧支配、节能的优点，还能够扩大网络的覆盖，提升网络容量，并且抑制电磁滋扰。

“从运用支配上来看，信息超材料可以分三步走来实现。
”袁弋非说，“第一步最大略，超材料是静态和半静态的事情模式，适宜用来做网络补盲，优点是掌握大略，缺陷是不足灵巧；第二步是折中，事先给超材料环境分配一些波束，须要不断调度，灵巧性差一些；第三步是在小尺度的信道上做实时调度，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度，充分发挥智能超表面的性能上风。
当然第三步是比较繁芜的，现在也存在很多技能寻衅。
”

这种革命性技能的寻衅也是明显的。
袁弋非说，目前寻衅紧张在硬件实现、工程支配、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的，实现高频率的动态调控有难度，由于目前器件成熟度不足，材料制做本钱偏高；在工程支配上，智能超表面的面板尺寸比较大，风阻大，和现在的天线面板比较，不易支配；在理论上，缺少可靠完全的传输理论根本、信息和系统模型，而且掌握办法的改变，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。
（刘晶）

来源： 中国电子报