基于信息超表面的简化雷达架构：实现射频前端与信号处理一体化

本研究针对传统雷达系统成本高、硬件负担重、集成度低等问题，提出了一种基于时空编码（STC）信息超表面的简化雷达架构。研究人员创新性地利用STC超表面在发射端实现单色波到线性调频（FMCW）信号的直接转换，在接收端完成射频（RF）域去斜处理，成功构建了集成信号生成、辐射、接收与处理全流程的超表面雷达系统。实验证明该系统在目标检测和测距测速性能上与传统系统相当，为雷达系统设计提供了新范式，相关成果发表于《Nature Communications》。

　　

雷达技术自二战诞生以来，已发展成为军事、民用和商业领域不可或缺的探测工具。然而，现代传统雷达系统采用的射频（RF）-数字链式架构存在明显瓶颈：信号生成依赖电压控制振荡器（VCO）或直接数字合成（DDS）技术，需要大量混频器、放大器等有源RF组件，导致系统成本高、功耗大、灵活性差；接收端则受限于高速模数转换器（ADC）的性能，宽带信号处理时面临采样率瓶颈。更关键的是，天线与RF前端的分离设计严重制约了系统集成度。这些固有缺陷促使研究人员寻求突破性的解决方案。

东南大学的研究团队独辟蹊径，将近年来快速发展的信息超表面技术引入雷达系统设计。信息超表面作为二维人工电磁材料，通过集成可电调元件和现场可编程门阵列（FPGA），能够实时调控电磁波的时域和空域特性。研究团队创新性地提出基于时空编码（STC）信息超表面的全流程雷达架构，两个结构相同的超表面分别承担信号生成与接收处理功能。发射端超表面直接将单色波转换为线性调频（FMCW）信号并辐射，省去了传统DDS、DAC和混频器等组件；接收端超表面则通过时变反射特性实现射频域去斜处理，将宽带回波压缩为窄带信号，大幅降低了对ADC采样率的要求。这种"接收即处理"的新范式，将信号处理提前至RF前端完成，显著简化了系统架构。

关键技术方法包括：1）设计具有全相位调控能力的超表面单元结构，通过偏置电压实现2π以上反射相位调节；2）建立STC超表面去斜处理理论框架，推导出时变反射系数与信号处理的数学关系；3）搭建双超表面实验系统，采用矢量信号收发器（VST）和波形发生器（WG）实现系统同步控制；4）开发雷达回波模拟器验证测距测速性能。

研究结果部分，作者通过多组实验系统验证了超表面雷达的性能：

STC-metasurface-based radar architecture章节阐明了系统架构创新。与传统雷达相比，发射端省去了DDS、DAC和RF混频器等组件，接收端通过超表面实现RF域去斜处理，避免了高速ADC的需求。

直观展示了这一简化架构。

The STC-metasurface-based receiver章节建立了接收端理论框架。推导证明当时变反射系数Γ₁(t)=e^{-jπB/T_p t2}时，超表面可完美实现去斜运算，将回波信号转换为包含目标距离/速度信息的离散频率分量，为后续FFT分析奠定基础。

The STC-metasurface-based chirp signal transmitter章节验证了发射端性能。实验显示超表面成功生成带宽100kHz、脉宽100μs的线性调频信号，

展示了生成的基带信号相位和时频特性。

Experimental validation章节通过对比实验证实系统性能。在室内测试场景中，

等系列实验数据显示，超表面雷达对单目标（1km距离、10m/s速度）和双目标（3km/1km距离组合）的测量精度与传统雷达相当，距离和速度误差均低于系统分辨率。

该研究的重要意义在于：1）提出首个完整集成发射与接收功能的超表面雷达架构，实现从"电路级"到"超表面级"的范式转变；2）理论证明并实验验证了超表面在RF域完成复杂信号处理的可行性，为后续智能超表面（RIS）在感知通信一体化（ISAC）等领域的应用奠定基础；3）系统硬件复杂度降低约40%，成本节约显著，特别适合大规模部署的民用雷达场景。尽管目前受限于超表面调制速度（1MHz带宽），但通过优化单元设计、采用高性能二极管等措施，未来有望突破带宽限制。这项开创性工作为6G时代智能感知网络提供了新的技术路径。