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本文提出了一种集成化自供电平台，用于低功耗物联网（IoT，Internet of Things）传感节点，通过将射频（RF，radio-frequency）能量采集与无源反向散射通信相结合。一种由互补金属氧化物半导体（CMOS，complementary me
本文提出了一种集成化自供电平台，用于低功耗物联网（IoT，Internet of Things）传感节点，通过将射频（RF，radio-frequency）能量采集与无源反向散射通信相结合。一种由互补金属氧化物半导体（CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor）开关控制的双功能可重构超表面调节用于能量采集与通信的电磁响应。在能量采集阶段，超表面增强射频功率向整流电路的输送，采集到的能量存储于超级电容中以支持占空比循环传感。在通信阶段，超表面执行通断键控（OOK，on-off keying）反向散射调制，并由软件定义无线电（SDR，software-defined radio）接收机解调反射信号。该架构将超表面、整流器、电源管理单元（PMU，power-management unit）、微控制器单元（MCU，microcontroller unit）、传感器及反向散射链路集成于一个统一的射频转直流（DC，direct current）再转信息的平台中。一项受控的2 m任意波形发生器（AWG，arbitrary waveform generator）驱动测试以9.6 kbaud的原始波特率对OOK反向散射进行特性分析，并评估误码率（BER，bit error rate）和帧错误率（FER，frame error rate）；一项15 m户外测试则展示了AWG控制的波形恢复及链路可行性。在2.45 GHz的进一步实验表明，在0.85 m距离、10 dBm激励条件下，超表面将整流器输出电压从0.596 V提升至1.25 V，从而实现PMU激活并产生3.34 V的稳定电压输出。在15 dBm激励下，研究人员通过通用输入/输出口（GPIO，General-Purpose Input/Output）控制的超表面切换以及解调的传感器数据帧，验证了突发模式自主MCU驱动的传感与反向散射运行。
在无人地面传感器（UGS，unmanned ground sensor，无人值守地面传感器）与分布式战场物联网（IoBT，Internet of Battlefield Things）节点的应用中，战场态势感知与环境监测对长期、低功耗的分布式传感与可靠数据传输提出了迫切需求。然而，这些节点常被部署于偏远、恶劣或难以进入的环境，传统电池供电方案受限于有限能量密度与服役寿命，更换电池或维护不仅带来沉重后勤负担，在战术场景下还可能因频繁活动增加部署位置暴露风险。因此，如何在无需有线电网与频繁人工干预的条件下实现长期占空比供电与低功耗数据传输，成为国防电子工程与低维护物联网（IoT，Internet of Things）领域的关键挑战。尽管射频（RF，radio-frequency）能量采集与无源反向散射通信为降低电池与主动射频发射器依赖提供了可行路径，但现有研究多聚焦于通信理论、协议优化或传播控制，硬件层面的能量采集、能量管理、传感与无源反向散射通信的集成及实验验证仍不充分。此外，能量采集与通信功能在现有方案中常依赖独立物理模块，或在共享孔径同时无线信息与能量传输（SWIPT，simultaneous wireless information and power transfer）架构下难以在单一射频孔径上实现高效复用与动态协调，限制了紧凑传感节点的实用化。
针对上述问题，研究人员Hao-dong QIN、Hai-peng LI、Ting WU、Bo PENG、Kuang ZHANG及Si-han REN提出了一种面向UGS与IoBT节点的自供电超表面（metasurface，二维人工电磁结构）辅助反向散射通信系统。该研究将2.45 GHz射频能量采集、冷启动能量管理、超级电容辅助占空比运行、微控制器（MCU，microcontroller unit）传感及无源通断键控（OOK，on-off keying）反向散射通信集成于统一硬件平台，在受控射频照明下构建完整的射频转直流（DC，direct current）再转信息闭环。其创新性不仅在于单一超表面单元或OOK调制本身，更在于系统级集成：不同于仅演示能量采集的超表面、理论SWIPT/可重构智能表面（RIS，reconfigurable intelligent surface）模型或共享孔径SWIPT系统，本工作首次在统一硬件中验证了自主冷启动、误码率（BER，bit error rate）表征的反向散射及闭环自供电运行，为紧凑、动态环境下的低功耗物联网节点提供了完整的射频供电传感与通信环路。
研究人员采用的关键技术方法包括：基于印刷电路板（PCB，printed circuit board）工艺制备的三层可重构超表面，其单元加载互补金属氧化物半导体（CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor）射频开关（ARW3172），通过电压控制实现电磁响应动态重构与2.45 GHz线极化转换聚焦；采用CST Studio Suite全波仿真优化9×9超表面透镜传输相位；利用Friis传输方程结合实测对射频传播、聚焦增强、整流及能量存储进行分层链路预算分析；采用MCU通过通用输入/输出口（GPIO，General-Purpose Input/Output）驱动CMOS开关实现无源OOK反向散射调制；结合50 mF超级电容与电源管理单元（PMU，power-management unit）阈值控制实现自主冷启动与占空比循环运行；并利用任意波形发生器（AWG，arbitrary waveform generator）、矢量信号发生器及软件定义无线电（USRP，Universal Software Radio Peripheral）完成射频转直流（RF-to-DC）转换标定、离线阈值优化的误码率（BER，bit error rate）/帧错误率（FER，frame error rate）统计及户外链路验证。
研究结果如下。
超表面单元电磁响应与聚焦性能：全波电磁仿真验证，当CMOS开关导通（ON）时，共极化反射系数（r
yy）在2.45 GHz接近0 dB，呈近全反射状态；当开关关断（OFF）时，r
yy降至约-20 dB，同时交叉极化透射系数（t
xy）达-0.13 dB，实现高效线极化转换。通过调控中心贴片切角（n1）与旋转角（n），实现360°连续相位调制。CST仿真表明，9×9超表面阵列可将平面波汇聚为球面波，电场峰值位于距表面71.06 mm处，与设计焦距75 mm基本吻合。
射频能量采集与冷启动验证：在2.45 GHz、0.85 m传输距离、10 dBm信号发生器输出功率条件下，超表面辅助的焦接收功率达-8.66 dBm，相比同极化无超表面直接链路（-14.54 dBm）增强5.88 dB；相比交叉极化无超表面基线（-39.93 dBm）增强31.27 dB。整流器输入功率经匹配网络损耗估算为-9.16 dBm。实测显示，无超表面时整流开路电压在10 dBm输入下为0.596 V；引入超表面后提升至1.25 V，超过PMU约1.24 V的激活阈值，实现3.3 V稳压输出。在5 dBm输入下，整流电压仅0.53 V，无法激活PMU。50 mF超级电容充电曲线显示，5 dBm负载下平均采集功率约70.3 μW，对应负载焦点射频转直流效率为57.9%。10 dBm下系统级冷启动时间约114 s，储能约38.44 mJ，平均储能功率约337 μW。稳态占空比循环中，PMU导通阈值V
ON约1.24 V，关断阈值V
OFF约1.05 V，实测单次活跃时长约0.15 s，稳态充电时长约12.1 s，实用占空比约1.22%。
室内反向散射通信可靠性评估：在2 m距离、AWG驱动、信号输出功率从-10 dBm扫至10 dBm的受控室内测试中，原始OOK/UART-like波形以9.6 kbaud波特率传输，参考字节为十进制69。离线阈值优化解调显示，随着发射功率增加，BER和FER总体降低。在10 dBm时，测试115,230比特和11,523帧均未出现误码和帧错误，按95%置信上限（rule-of-three）估计BER<2.60×10
-5，FER<2.60×10
-4。功率包络调制深度在10 dBm时约83.65%，5 dBm时约90.60%。
户外反向散射通信演示：在15 m视距（LOS，line-of-sight）户外环境中，发射机输出功率25 dBm，发射机距超表面约0.5 m，接收机距超表面15 m。AWG控制超表面切换速率从1 kHz变至4 kHz，USRP接收机经基带下变频、功率包络提取、平滑滤波及迟滞阈值处理后，成功恢复时域波形，且主导频谱成分随AWG切换速率一致变化，验证了开放环境下AWG控制超表面反向散射链路的可行性。
集成MCU驱动自供电传感与反向散射验证：在15 dBm、0.85 m距离下，系统仅靠射频采集、PMU及50 mF超级电容供电，无外部电源。MSP430G2553通过GPIO口（P1.4）直接驱动超表面执行OOK调制，传感器数据经模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）采集后生成包含10位传感器负载、8位XOR校验及帧头帧尾的自定义数据帧。单次PMU使能区间内，超级电容电压从约1.24 V阶降至1.05 V，净储能减少约10.88 mJ。五组自主测试中，共检测到167个完整帧、3,006个比特，154帧通过XOR校验，聚合校验通过率92.2%，检测帧误码率约0.93%。成功解调解码温度（如26.6°C、27.5°C、29.1°C）及环境光（ADC值924、930）数据，并通过校验和验证。
论文结论部分指出，研究人员展示了一种集成射频能量采集、能量存储、阈值电源管理、MCU传感及无源OOK通信的超表面辅助自供电传感与通信平台。所提出的9×9可重构超表面作为双功能孔径，在能量采集阶段将入射2.45 GHz射频能量聚焦于接收天线/整流前端，在通信阶段执行OOK反向散射调制。实验结果验证了超表面的射频功率输送增强效应：在0.85 m固定距离下，整流器开路电压提升因子在1.7至6.5之间，10 dBm激励下电压从0.596 V提升至1.25 V，实现PMU激活并输出约3.3 V电压。为应对有限采集功率，采用50 mF超级电容辅助占空比循环策略支持短突发传感与传输。通信能力通过受控与自主测试验证：2 m室内测试中，AWG驱动的OOK反向散射波形经USRP接收，以9.6 kbaud原始波特率完成离线阈值优化的误码率/帧错误率定量表征；15 dBm自主测试中，同步的功率与控制波形及解码的温度与光照数据帧展示了闭环射频供电传感与反向散射系统的运行。最后，定性15 m户外实验展示了开放环境下的AWG控制波形恢复与链路可行性。总体而言，该架构可将射频能量采集、电源管理、传感及无源反向散射通信集成于自供电低功耗物联网传感节点中。未来工作将评估系统在动态、遮挡、干扰丰富及恶劣天气环境下的鲁棒性。
