西電電院李龍教授團隊在 Nature Communications 上發表最新成果

（通訊員 王鑫）近日，電子工程學院超高速電路實驗室李龍教授團隊在超表面攜能通信方面取得突破性進展，研究成果以《High-performance cost efficient simultaneous wireless information and power transfers deploying jointly modulated amplifying programmable metasurface》為題發表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。西安電子科技大學王鑫博士為第一作者，李龍教授和東南大學崔鐵軍院士為通訊作者，西安電子科技大學為第一單位。

該成果提出了一種高性能聯合調制功率放大可編程超表面攜能通信系統。攜能通信技術（Simultaneous wireless information and power transfer , 簡稱SWIPT）被認為是解決未來物聯網低功耗設備和無線傳感器持續通信的一個重要的解決方案。與傳統的無線信息傳輸和能量傳輸系統不同，SWIPT系統需要平衡通信速率和能量傳輸效率，以實現能量和信息的最優傳輸。在理論上，大規模多天線系統和相控陣列系統作為經典的無線系統實現方式被廣泛應用于SWIPT。然而這兩種系統需要大量的收發組件和射頻模塊，因此存在造價高昂、效率低、空間調控靈活性弱、可實現性差等問題。

研究人員通過利用頻率正交性和有源功率放大可編程超表面靈活的空間場操控能力，設計了有四種獨立相位調控狀態的功率放大型可編程超表面發射機，探討了可編程超表面的場增強、最大輸出功率、能信波束覆蓋角、低峰均比等特性與作用機制，實現了具有低峰均比能信信號的高效率傳輸攜能通信系統。研究人員在微波暗室和室內場景中進行了一系列實驗，包括空間入射場增強、視頻與無線能量同時傳輸及大角度能信信道同時調控。這些實驗驗證了該技術方案在攜能通信方面的領先水平。

該工作提出一種全新的高性能聯合調制功率放大可編程超表面攜能通信系統架構。深度研究了功率放大可編程超表面的實現模型，通過引入不同能量占比的聯合調制方法實現了高轉換效率和高質量通信。該工作首次將有源功率可編程超表面運用于SWIPT系統中，可以顯著降低 SWIPT 系統的復雜性和成本。由于高性能的聯合調制策略將能量和信息結合在一個高度集中的波束中，功率放大可編程超表面可以對同一無線設備進行充電和高速通信。本文提出的高性能聯合調制有源功率放大可編程超表面顯著提升了無線能量傳輸上限、能量轉換效率和無線設備信號的覆蓋范圍，為未來B5G/6G 通信和無線傳感網萬物智聯時代提供全新的技術范式。本文得到國家自然科學基金信息超材料基礎科學中心等項目資助。

論文信息：
X. Wang, J. Q. Han, G. X. Li, D. X. Xia, M. Y. Chang, X. J. Ma, H. Xue, P. Xu, R. J. Li, K. Y. Zhang, H. X. Liu, L. Li, T. J. Cui, High-performance cost efficient simultaneous wireless information and power transfers deploying jointly modulated amplifying programmable metasurface. Nat. Commun. 14, 6002 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41763-z

圖1 功率放大可編程超表面攜能通信系統示意圖與單元散射特性(Nat. Commun. 14, 6002, 2023)

圖2 攜能通信系統實驗結果(Nat. Commun. 14, 6002, 2023)