自适应可编程超表面(APM)在复杂环境中实现智能无线通信的环境感知与动态调控

为解决复杂电磁环境中无线通信质量受多径效应和散射干扰的难题，东南大学团队创新性地提出集成环境感知与波束调控能力的自适应可编程超表面(APM)。该研究通过6×6 APM原型验证了元素级电磁场感知与全相位动态调控能力，在非视距(NLoS)和多径场景中实现19dB信道增益提升，为6G智能无线系统提供了自适应的环境重构新范式。

　　

在摩天大楼林立的现代都市，电磁波传播如同迷宫中的探险者，经历着无数次反射、折射和散射的折磨。这种复杂环境导致无线信号严重衰减和畸变，即使采用可编程超表面(RIS)技术，传统方案仍依赖人工预设环境信息，难以实时适应动态变化的电磁环境。东南大学崔铁军、程强团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，通过赋予超表面"环境感知"与"智能调控"的双重能力，为6G通信开辟了新路径。

研究团队采用三项核心技术：1）基于变容二极管的相位连续可调电路设计，实现0-360°全相位覆盖且反射损耗≤1.45dB；2）弱耦合微带线传感链路的元素级场强相位检测架构；3）融合环境感知数据的自适应优化算法，无需先验信道信息。实验系统包含36通道独立控制的6×6 APM阵列和射频开关矩阵。

【APM元素设计】创新性地采用三层结构：顶层F4B基板双贴片、中层Rogers 4003C基板H型缝隙天线与微带电路、底层金属背板。通过变容二极管调节等效电容CVAR（0.140-0.710pF），实现反射系数Γ的连续相位调控，同时耦合系数α保持稳定传感性能。实测显示当偏置电压VDC在0-15V变化时，3.5GHz工作频点相位调控线性度良好。

【实验验证】在三种典型场景中验证性能：1）NLoS场景下，APM通过感知障碍物扰动后的信道矩阵f和g（图7a,b），生成最优反射矩阵Φ（图7c），使QPSK信号星座图误差较金属板改善19dB；2）多径走廊环境中，传统波束成形算法完全失效，而APM仍保持8dB增益；3）视距(LoS)场景中同步完成波束成形与到达角(DOA)估计，角度误差<1°（图6g）。

【性能优势】相比现有技术有三个突破：1）首例同时获取电磁波幅相信息的元素级感知，通过6×6传感单元实现复杂场分布重构（图6d,f）；2）1.45dB低损耗下的全相位量化能力，较传统1-2bit相位精度显著提升；3）闭环"感知-分析-调控"工作模式（图1），在未知环境中自主优化，实测扫描范围达±60°（图6a,b）。

这项研究标志着超表面技术从"被动调控"迈向"环境自适应"的新阶段。APM的双重能力使其在智能建筑、应急通信等复杂场景展现出巨大潜力，特别是当基站与终端位置未知时仍能维持可靠连接。未来通过大规模阵列集成和机器学习算法优化，这种技术有望成为6G智能无线环境的核心构建模块。正如作者指出，该平台为集成感知与通信(ISAC)系统提供了硬件基础，将推动无线通信与雷达感知的深度融合发展。