基于可編程超表面的6G智能毫米波基站：成本、功耗顯著降低

毫米波基站作為第五代移動通信（5G）及未來6G網(wǎng)絡的核心設備，憑借其豐富的頻譜資源和高速傳輸能力，為用戶的生活與工作帶來了極大便利。然而，毫米波基站面臨著一系列挑戰(zhàn)：因其波長短，信號易受障礙物阻擋和衰減，導致基站需要配備更多精密的天線陣列以實現(xiàn)信號的有效覆蓋，不僅大幅度推高了硬件成本，還導致嚴峻的功耗問題。因此亟需創(chuàng)新性的解決方案，以平衡性能與成本、能耗之間的制約關系。

針對上述難題，東南大學毫米波全國重點實驗室程強教授和崔鐵軍院士團隊提出了一種全新的解決思路——基于可編程超表面的大規(guī)模毫米波波束賦形系統(tǒng)，并在此基礎上構(gòu)建了毫米波基站樣機，在自由空間實現(xiàn)了四流信息的獨立傳輸，顯著降低了系統(tǒng)成本和功耗。相關成果發(fā)表于《國家科學評論》。

圖1. 基于可編程超表面的多流6G智能毫米波基站

一體化產(chǎn)品級硬件架構(gòu)設計

研究團隊用可編程超表面取代了部分傳統(tǒng)射頻前端組件，利用其強大的電磁調(diào)控能力，實現(xiàn)了信號波束的發(fā)射與賦形。該系統(tǒng)主要由三個核心部分組成：

盤錐天線饋源：該天線具有寬帶、高增益和背向散射的特點，能夠在多種頻段內(nèi)穩(wěn)定工作。其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造和安裝，具備良好的阻抗匹配性、低損耗和小尺寸優(yōu)勢。

可編程智能超表面陣面：智能超表面陣面由30×30個周期排列的超表面單元構(gòu)成，每個單元集成了兩個獨立控制的PIN二極管，可實現(xiàn)2-bit的電磁波相位調(diào)控。通過獨立調(diào)控單元相位，可實現(xiàn)寬角域內(nèi)的波束賦形。

高集成度控制板：控制板配備一個FPGA芯片、38個電源驅(qū)動芯片、以及1800個獨立電壓輸出端口，確保對超表面單元相位狀態(tài)的精確控制。所有驅(qū)動芯片同步接收FPGA的狀態(tài)切換指令，實現(xiàn)陣面相位編碼的實時切換，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖2. 基于可編程超表面的智能毫米波基站系統(tǒng)架構(gòu)拆解圖

在實際測試中，該系統(tǒng)能夠在俯仰角從-70°到70°、方位角從0到360°的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)精準的波束賦形，同時保持較高的輻射增益。

輔助6G智能毫米波基站通信驗證

基于上述波束賦形系統(tǒng)，研究團隊成功搭建了原理驗證樣機，并驗證了其無線通信能力。實驗表明，只有當波束賦形系統(tǒng)在指定方向工作時，傳輸?shù)囊曨l信號才能被正常解調(diào)接收（圖3b-e）；當系統(tǒng)停止工作時，視頻傳輸出現(xiàn)明顯的卡頓（圖3f-i）。

圖3. 基于可編程超表面的單流6G智能毫米波基站通信實驗

為了進一步提升性能，團隊還開發(fā)了基于可編程超表面的四流智能毫米波基站樣機。與單流樣機相比，四流樣機能同時支持四路信號的獨立傳輸，且平均工作功率僅為60W，顯著降低了功耗。

基于可編程超表面的四流6G智能毫米波基站通信實驗場景

未來應用與展望

該工作為6G毫米波基站的設計提供了全新的技術(shù)路徑。未來，該技術(shù)有望應用于6G通信網(wǎng)絡，進一步降低系統(tǒng)的成本和功耗。

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A Smart Millimeter-Wave Base Station for 6G Application Based on Programmable Metasurface. National Science Review. doi：org/10.1093/nsr/nwaf017