太阳能驱动的光调制微波可编程超表面：可持续无线通信的新范式

《Nature Communications》：

为解决传统可编程超表面依赖外部供电、多域信息传输灵活性不足的问题，东南大学Tie Jun Cui团队创新性地将光伏模块与光学透明微波可编程超表面（OTMPM）集成，开发出太阳能驱动的光调制微波可编程超表面（SLMPM）。该器件通过共享孔径实现光信息接收与太阳能采集同步完成，在阳光直射下可实现250 kbps高速光-微波信息直接传输，支持BASK/BPSK/QPSK/8QAM等多种调制方案，仅需8小时日照即可维持24小时工作。这项发表于《Nature Communications》的研究为可持续无线通信提供了成本效益高、环境友好的解决方案。

　　

在无线通信技术飞速发展的今天，第五代移动通信网络（5G）的部署密度和物联网（IoT）设备规模呈现指数级增长，随之而来的硬件成本攀升、能源消耗剧增和碳足迹扩大等问题日益凸显。传统中继系统依赖大量射频（RF）放大器和数模转换器，不仅造成频谱资源紧张，更阻碍了通信技术向可持续发展方向的演进。可编程超表面（Programmable Metasurface）因其卓越的电磁波调控能力被视为突破性解决方案，但其长期面临两大技术瓶颈：一是需要持续外部供电来驱动大量可调元件，限制其在无电网覆盖区域的部署；二是现有光-微波域信息传输系统依赖复杂的分立光学与RF组件，难以实现灵活可靠的多域通信。

东南大学的研究团队通过跨学科创新，将光学透明微波可编程超表面（OTMPM）与碲化镉（CdTe）光伏模块（PVM）深度集成，构建出具有共享孔径特性的太阳能驱动光调制微波可编程超表面（SLMPM）。该系统利用PVM的双重功能——既解析调制光携带的信息，又采集太阳能实现自供电，开创性地解决了能源供给与多域传输的协同优化难题。研究证实，该器件在强太阳光干扰下（116.7 mW/cm²）仍能保持1 MHz带宽，通过时间域编码策略可在4.6 GHz基频（f_c1）实现180°相位调制，在3.2 GHz（f_c2）实现>10 dB幅度调制，并能在-1阶谐波（f_c1-f₀=4.5999 GHz）独立调控振幅与相位，为高阶调制方案奠定基础。

关键技术方法包括：1）采用网状金属网格和透明PET/PC基板设计OTMPM单元，实现>80%可见光透射率和4.6 GHz微波高反射率；2）开发含跨阻放大器的信号处理电路，使PVM在强光干扰下带宽提升至1.65 MHz；3）构建能量管理系统，通过最大功率点跟踪（MPPT）算法实现545 mW太阳能采集效率；4）建立D-t₀映射模型，推导出谐波振幅A^m=|Γ_s0-Γ_s1|D·Sa(mπD)与相位φ^m=∠(Γ_s0-Γ_s1)-2mπt₀/T₀的精确调控关系。

光-微波信息传输性能

通过直接强度编码实验，SLMPM在250 kbps速率下准确将光信号"01"映射为f_c1的1比特相位调制，将"11010100"映射为f_c2的1比特幅度调制。时域编码测试表明，调节占空比D从5%至50%可使-1阶谐波归一化振幅覆盖0.16-1，调节时延t₀可实现360°全相位覆盖，且该特性在0-162.59 mW/cm²光照强度范围内保持稳定。

太阳能采集与自主供能

能量管理系统的实测数据显示，在标准测试条件（100 mW/cm²）下，266×164 mm²活性面积的PVM可输出545 mW功率，远超SLMPM 176.4 mW的工作功耗。集成3.7V/850mAh锂电池后，系统可实现"8小时日照维持24小时运行"的自主供能目标，单位面积功耗仅0.39 mW/cm²。

混合无线通信系统验证

研究团队构建了基于8QAM调制的光-微波混合通信系统原型，通过将3比特数据流映射为特定D-t₀组合的方波光波形，成功实现了星座点与散射点的精确对应。扩展分析表明，该方法可推广至QPSK、8PSK、16QAM等高阶调制方案。

这项研究的突破性意义体现在三个维度：在技术层面，首次实现可编程超表面的全太阳能驱动与多域信息融合传输；在应用层面，为偏远地区、海洋监测等特殊场景提供免维护通信方案；在环境层面，每平方米器件每年可减少约58 kg碳排放。Han Wei Tian等研究者通过材料创新（CdTe PVM）、电路优化（跨阻放大器设计）和系统集成（共享孔径架构）的多层次创新，为第六代通信网络（6G）的可持续发展提供了新范式。未来通过增加基频处的相位调制位数，有望进一步扩展谐波域的调制自由度，推动天地一体化通信网络的绿色变革。