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2025-03-03 10:42:17
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(yào)配(pèi)备(bèi)更(gèng)多(duō)精(jīng)密(mì)的(de)天(tiān)线(xiàn)阵(zhèn)列(liè)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)信(xìn)号(hào)的(de)有(yǒu)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(néng)与(yǔ)成(chéng)本(běn)、能(néng)耗(hào)之(zhī)间(jiān)的(de)制(zhì)约(yuē)关系(xì)。
针(zhēn)对(duì)上(shàng)述(shù)难(nán)题(tí)，东(dōng)南(nán)大(dà)学(xué)毫(háo)米(mǐ)波(bō)全国(guó)重(zhòng)点(diǎn)实(shí)验(yàn)室(shì)程(chéng)强(qiáng)教(jiào)授(shòu)和(hé)崔(cuī)铁(tiě)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智能毫米波基站
一体化产品级硬件架构设计
研究团队用可编程超表面取代了部分传统射频前端组件，利用其强大的电磁调控能力，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°、方位角从0到360°的空间范围内实现精准的波束赋形，同时保持较高的辐射增益。
辅助6G智能毫米波基站通信验证
基于上述波束赋形系统，研究团队成功搭建了原理验证样机，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(wèi)了(le)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)升(shēng)性(xìng)能(néng)，团(tuán)队(duì)还(hái)开(kāi)发(fā)了(le)基(jī)于(yú)可(kě)编(biān)程(chéng)超(chāo)表(biǎo)面(miàn)的(de)四(sì)流(liú)智(zhì)能(néng)毫(háo)米(mǐ)波(bō)基(jī)站(zhàn)样(yàng)机(jī)。与(yǔ)单(dān)流(liú)样(yàng)机(jī)相(xiāng)比(bǐ)，四(sì)流(liú)样(yàng)机(jī)能(néng)同(tóng)时(shí)支(zhī)持(chí)四(sì)路信(xìn)号(hào)的(de)独(dú)立传输，且平均工作功率仅为60W，显著降低了功耗。
基于可编程超表面的四流6G智能毫米波基站通信实验场景
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
400-86503662
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