2025-03-03 10:42:23
毫米波基站作为第五代移动通信（5G）及未来6G网络的核心设备，凭借其丰富的频谱资源和高速传输能力，为用户的生活与工作带来了极大便利。然而，毫米波基站面临着一系列挑战：因其波长短，信号易受障碍物阻挡和衰减，导致基站需要配备更多精密的天线阵列以实现信号的有效覆盖，不仅大幅度推高了硬件成本，还导致严峻的功耗问题。因此亟需创新性的解决方案，以平衡性能与成本、能耗之间的制约关系。
针对上述难题，东南大学毫米波全国重点实验室程强教授和崔(cuī)铁军院士团队提出了一种全新的解决思路——基于可编程超表面的大规模毫米波波束赋形系统，并在此基础上构建了毫米波基站样机，在自由空间实现了四流信息的独立传输，显著降低了系统成本和功耗。相关成果发表于《国家科学评论》。
图1. 基于可编程超表面的多流6G智能毫(háo)米(mǐ)波(bō)基(jī)站(zhàn)
一(yī)体(tǐ)化(huà)产(chǎn)品(pǐn)级(jí)硬(yìng)件(jiàn)架(jià)构(gòu)设(shè)计(jì)
研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)用(yòng)可(kě)编(biān)程(chéng)超(chāo)表(biǎo)面(miàn)取(qǔ)代(dài)了(le)部(bù)分(fēn)传(chuán)统(tǒng)射(shè)频(pín)前(qián)端(duān)组(zǔ)件(jiàn)，利(lì)用(yòng)其(qí)强(qiáng)大(dà)的(de)电(diàn)磁(cí)调控能力，实现了信号波束的发射与赋形。该系统主要由三个核心部分组成：
盘锥天线馈源：该天线具有宽带、高增益和背向散射的特点，能够在多种频段内稳定工作。其结构简单、易于制造和安装，具备良好的阻抗匹配性、低损耗和小尺寸优势。
可编程智能超表面阵面：智能超表面阵面由30×30个周期排列的超表面单元构成，每个单元集成了两个独立控制的PIN二极管，可实现2-bit的电磁波相位调控。通过独立调控单元相位，可实现宽角域内的波束赋形。
高集成度控制板：控制板配备一个FPGA芯片、38个电源驱动芯片、以及1800个独立电压输出端口，确保对超表面单元相位状态的精确控制。所有驱动芯片同步接收FPGA的状态切换指令，实现阵面相位编码的实时切换，保障系统的稳定运行。
图2. 基于可编程超表面的智能毫米波基站系统架构拆解图
在实际测试中，该系统能够在俯仰角从-70°到70°、方位角(jiǎo)从(cóng)0到(dào)360°的(de)空(kōng)间(jiān)范(fàn)围(wéi)内(nèi)实(shí)现(xiàn)精(jīng)准(zhǔn)的(de)波(bō)束(shù)赋(fù)形(xíng)，同(tóng)时(shí)保(bǎo)持(chí)较(jiào)高(gāo)的(de)辐(fú)射(shè)增(zēng)益(yì)。
辅(fǔ)助(zhù)6G智(zhì)能(néng)毫(háo)米(mǐ)波(bō)基(jī)站(zhàn)通(tōng)信(xìn)验(yàn)证(zhèng)
基(jī)于(yú)上(shàng)述(shù)波(bō)束(shù)赋(fù)形(xíng)系(xì)统(tǒng)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)成(chéng)功(gōng)搭(dā)建(jiàn)了(le)原(yuán)理(lǐ)验证样机，并验证了其无线通信能力。实验表明，只有当波束赋形系统在指定方向工作时，传输的视频信号才能被正常解调接收（图3b-e）；当系统停止工作时，视频传输出现(xiàn)明显的卡顿（图3f-i）。
图3. 基于可编程超表面的单流6G智能毫米波基站通信实验
为了进一步提升性能，团队还开发了基于可编程超表面的四流智能毫米波基站样机。与单流样机相比，四流样机能同时支持四路信号的独立传输，且平均(jūn)工(gōng)作(zuò)功(gōng)率(lǜ)仅(jǐn)为(wèi)60W，显(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)了(le)功(gōng)耗(hào)。
基(jī)于(yú)可(kě)编(biān)程(chéng)超(chāo)表(biǎo)面(miàn)的(de)四(sì)流(liú)6G智(zhì)能(néng)毫(háo)米(mǐ)波(bō)基(jī)站(zhàn)通(tōng)信(xìn)实验场景
未来应用与展望
该工作为6G毫米波基站的设计提供了全新的技术路径。未来，该技术有望应用于6G通信网络，进一步降低系统的成本和功耗。
了解详情，请阅读原文
A Smart Millimeter-Wave Base Station for 6G Application Based on Programmable Metasurface. National Science Review. doi：org/10.1093/nsr/nwaf017
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