构建双频可编程超表面
研究人员设计了一款双频共口径的可编程超表面，用于实现全双工的辐射调控和目标感知。其中16×16阵列(工作在5.8 GHz)用于对大功率电磁波的灵活调控；边缘L型阵列(工作在11.6 GHz)用于接收来自终端设备的反馈信号，通过时空编码技术实现精确的近场定位。该L型阵列的引入在促进超表面智能化的同时，并不会显著增加阵面的口径，便于与现有超表面设备进行集成，为单一功能的设备进行赋能。
设计无线供电的传感器终端
研究人员通过将射频能量进行高效收集和直流转换，从而为传感器终端进行无线供电，实现无电池的环境数据感知和计算，并将感知的数据通过蓝牙进行上传。所设计的射频整流器在将射频能量转换成直流的同时，将产生的二阶谐波(频率为11.6 GHz)作为反馈信号进行高效输出，因此该整流器也被称之为谐波反馈式整流器。为了提升该接收终端的集成度，研究人员将5.8 GHz的接收天线和11.6 GHz的发射天线进行了共口径设计，从而实现了全双工的收发一体。实验结果表明，充分利用谐波进行反馈定位并不会降低整流器的效率，能够为传感器、蓝牙等模块提供足够的能源供应，实现无线供电的感知、计算和通信一体化系统。针对未来6G大规模的物联网设备部署，该研究有望在极端场景下为设备的运行提供电力保障。
图2 无线供电的传感器终端设计与性能评估 (Nat. Commun. 15, 10358, 2024)
基于CNN的无线近场定位
为了在SISO系统上实现精确的近场定位，研究人员利用双频超表面上的L型阵列，对来自终端设备的定位信号进行时空编码调制，产生的时空编码谐波分布可以作为位置坐标的特征信息。这种非线性的对应关系通过CNN进行学习和表征，在前期完成网络训练的基础上，终端的位置信息可以通过CNN的快速分类精确获取。该方法不仅降低了硬件复杂度，还显著改善近场定位的计算开销。
图3 基于CNN的无线近场定位 (Nat. Commun. 15, 10358, 2024)
自适应动态无线能量聚焦传输
基于全双工的目标定位和波束聚焦，研究人员开展了自适应无线能量传输实验。无线供电的传感器终端分别沿着“X”、“D”、“U”三个不同轨迹进行移动，当终端偏离能量焦点后，超表面能够对其位置进行重新定位，并将能量焦点进行重新聚焦，从而在终端移动的过程中维持高的能量传输效率。实验表明，98%的样本实现了精确定位，并且稳定的能源供应支持传感器设备的正常运行，实现了无电池的环境感知。该研究为无线传能、感知、通信一体化研究奠定了理论和架构的基础。
本研究得到国家自然科学基金委信息超材料基础科学中心和国家重点研发计划等项目资助。
论文信息：
D. X. Xia, J. Q. Han, Y. J. Mu, L. Guan, X. Wang, X. J. Ma, L. H. Zhu, T. G. Lv, H. X. Liu, Y. Shi, L. Li, T. J. Cui, Adaptive wireless-powered network based on CNN near-field positioning by a dual-band metasurface. Nat. Commun. 15, 10358 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54800-2
