西电电院李龙教授团队在 Nature Communications 上发表最新成果

（通讯员王鑫）近日，电子工程学院超高速电路实验室李龙教授团队在超表面携能通信方面取得突破性进展，研究成果以《High-performance cost efficient simultaneous wireless information and power transfers deploying jointly modulated amplifying programmable metasurface》为题发表于《自然•通讯》（Nature Communications）上。西安电子科技大学王鑫博士为第一作者，李龙教授和东南大学崔铁军院士为通讯作者，西安电子科技大学为第一单位。

该成果提出了一种高性能联合调制功率放大可编程超表面携能通信系统。携能通信技术（Simultaneous wireless information and power transfer , 简称SWIPT）被认为是解决未来物联网低功耗设备和无线传感器持续通信的一个重要的解决方案。与传统的无线信息传输和能量传输系统不同，SWIPT系统需要平衡通信速率和能量传输效率，以实现能量和信息的最优传输。在理论上，大规模多天线系统和相控阵列系统作为经典的无线系统实现方式被广泛应用于SWIPT。然而这两种系统需要大量的收发组件和射频模块，因此存在造价高昂、效率低、空间调控灵活性弱、可实现性差等问题。

研究人员通过利用频率正交性和有源功率放大可编程超表面灵活的空间场操控能力，设计了有四种独立相位调控状态的功率放大型可编程超表面发射机，探讨了可编程超表面的场增强、最大输出功率、能信波束覆盖角、低峰均比等特性与作用机制，实现了具有低峰均比能信信号的高效率传输携能通信系统。研究人员在微波暗室和室内场景中进行了一系列实验，包括空间入射场增强、视频与无线能量同时传输及大角度能信信道同时调控。这些实验验证了该技术方案在携能通信方面的领先水平。

该工作提出一种全新的高性能联合调制功率放大可编程超表面携能通信系统架构。深度研究了功率放大可编程超表面的实现模型，通过引入不同能量占比的联合调制方法实现了高转换效率和高质量通信。该工作首次将有源功率可编程超表面运用于SWIPT系统中，可以显著降低 SWIPT 系统的复杂性和成本。由于高性能的联合调制策略将能量和信息结合在一个高度集中的波束中，功率放大可编程超表面可以对同一无线设备进行充电和高速通信。本文提出的高性能联合调制有源功率放大可编程超表面显著提升了无线能量传输上限、能量转换效率和无线设备信号的覆盖范围，为未来B5G/6G 通信和无线传感网万物智联时代提供全新的技术范式。本文得到国家自然科学基金信息超材料基础科学中心等项目资助。

论文信息：
X. Wang, J. Q. Han, G. X. Li, D. X. Xia, M. Y. Chang, X. J. Ma, H. Xue, P. Xu, R. J. Li, K. Y. Zhang, H. X. Liu, L. Li, T. J. Cui, High-performance cost efficient simultaneous wireless information and power transfers deploying jointly modulated amplifying programmable metasurface. Nat. Commun. 14, 6002 (2023).
https://www.xidian.cc/10.1038/s41467-023-41763-z

图1 功率放大可编程超表面携能通信系统示意图与单元散射特性(Nat. Commun. 14, 6002, 2023)

图2 携能通信系统实验结果(Nat. Commun. 14, 6002, 2023)