毫米波基站作為第五代移動通信（5G）及未來6G網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)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(dǎo)致基站需要配備更多精密的天線陣列以實(shí)現(xiàn)信號的有效覆蓋，不僅大幅度推高了硬件成本，還導(dǎo)致嚴(yán)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(guān)系。

針對上述難題，東南大學(xué)毫米波全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室程強(qiáng)教授和崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上構(gòu)建了毫米波基站樣機(jī)，在自由空間實(shí)現(xiàn)了四流信息的獨(dú)立傳輸，顯著降低了系統(tǒng)成本和功耗。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)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(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)大的電磁調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)了信號波束的發(fā)射與賦形。該系統(tǒng)主要由三個(gè)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(diǎn)，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(gè)周期排列的超表面單元構(gòu)成，每個(gè)單元集成了兩個(gè)獨(dú)立控制的PIN二極管，可實(shí)現(xiàn)2-bit的電磁波相位調(diào)控。通過獨(dú)立調(diào)控單元相位，可實(shí)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(gè)FPGA芯片、38個(gè)電源驅(qū)動芯片、以及1800個(gè)獨(dú)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(shí)現(xiàn)陣面相位編碼的實(shí)時(shí)切換，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的波束賦形，同時(shí)保持較高的輻射增益。

輔助6G智能毫米波基站通信驗(yàn)證

基于上述波束賦形系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)成功搭建了原理驗(yàn)證樣機(jī)，并驗(yàn)證了其無線通信能力。實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)波束賦形系統(tǒng)在指定方向工作時(shí)，傳輸?shù)囊曨l信號才能被正常解調(diào)接收（圖3b-e）；當(dāng)系統(tǒng)停止工作時(shí)，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(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步提升性能，團(tuán)隊(duì)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(jī)。與單流樣機(jī)相比，四流樣機(jī)能同時(shí)支持四路信號的獨(dú)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(shí)驗(yàn)場景

未來應(yīng)用與展望

該工作為6G毫米波基站的設(shè)計(jì)提供了全新的技術(shù)路徑。未來，該技術(shù)有望應(yīng)用于6G通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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

來源: 《中國科學(xué)》雜志社