超表面+無線輸能，解鎖移動(dòng)設(shè)備能源新范式

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第18 期 《 無線輸能超表面技術(shù)研究進(jìn)展 》

隨著無線通信與人工智能技術(shù)的發(fā)展，小型移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量正在急劇增加，傳統(tǒng)有線電力供應(yīng)模式已不能滿足人們對(duì)便攜性和移動(dòng)性的需求。射頻與微波無線輸能技術(shù)能夠擺脫有線能源的限制，在無線設(shè)備中具有巨大的應(yīng)用潛力。本文綜述了超表面技術(shù)的關(guān)鍵熱點(diǎn)，介紹了無線輸能融合無線通信、無線傳感、可重構(gòu)智能超表面和目標(biāo)識(shí)別與定位等技術(shù)的研究進(jìn)展。

21世紀(jì)以來，無線通信與人工智能技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，進(jìn)而使得物聯(lián)網(wǎng)（IoT）得到了暴發(fā)式增長(zhǎng)。當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能移動(dòng)終端等IoT設(shè)備的運(yùn)行，無法離開供電線纜或化學(xué)電池提供能量。但是，供電線纜、化學(xué)電池的使用，為設(shè)備使用場(chǎng)景帶來了巨大的限制和嚴(yán)重的環(huán)境污染。無線輸能技術(shù)可以擺脫線纜或電池的限制，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與電源的分離，因此得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。

超表面是一種由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)組成的二維人工材料，通過改變其單元的幾何形狀和空間排列，可以靈活調(diào)控電磁波的幅度、相位和極化等基本特性。無線輸能超表面技術(shù)的關(guān)鍵熱點(diǎn)，主要包括無線輸能融合無線通信、無線傳感、可重構(gòu)智能超表面和目標(biāo)識(shí)別與定位等技術(shù)的最新進(jìn)展，如圖1所示。無線輸能超表面技術(shù)的主要目標(biāo)在于減少能量損耗，提高傳輸效率。

圖1 無線輸能超表面技術(shù)

1 無線電力傳輸超表面

與有線供電技術(shù)相比，無線電力傳輸可以使設(shè)備擺脫線纜的限制，降低布置要求與維護(hù)成本。然而，由于無線信道的缺陷，如路徑損耗、陰影和多徑衰落，特別是當(dāng)能量發(fā)射器到接收器的距離較長(zhǎng)時(shí)，射頻無線電力傳輸通常以較低的能量效率運(yùn)行。超表面強(qiáng)大的電磁波束調(diào)控能力為研究人員提供了解決上述問題的思路。

1.1 聚焦超表面

利用超表面強(qiáng)大的相位與振幅調(diào)控能力和波前操作能力，聚焦電磁波束到能量接收端，是提高射頻無線電力傳輸系統(tǒng)能量傳輸系數(shù)的有效手段，同時(shí)能夠在不降低接收效率的前提下縮小接收端口徑，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。Yu等提出了一種量化相位梯度近場(chǎng)聚焦超表面來提高電力傳輸系數(shù)，卻沒有解決在遠(yuǎn)場(chǎng)如何保持焦點(diǎn)的問題，這使得無線輸能系統(tǒng)的工作距離受到極大限制。Falchi等提供了遠(yuǎn)距離低頻磁場(chǎng)聚焦的思路，這項(xiàng)研究對(duì)提高無線電力傳輸工作距離有著指導(dǎo)作用。Xiong等提出了在接收端利用反射相位梯度超表面將入射波轉(zhuǎn)換為表面波，再由專門的表面波能量匯聚陣列進(jìn)行能量采集的新思路，如圖2所示。

圖2 反射相位梯度超表面+表面波能量匯聚陣列

1.2 無衍射波束超表面

無衍射波束的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨著傳播距離的增加不會(huì)發(fā)散，在傳播過程中的形狀和尺度的變化可以人為控制。Dong等在反射型光學(xué)透明超表面中應(yīng)用幾何光學(xué)方法確定相位分布，從而產(chǎn)生了高效的零階貝塞爾波束，如圖3所示，有望集成到太陽(yáng)能收集系統(tǒng)中進(jìn)行高效微波功率傳輸。

圖3 用于產(chǎn)生零階貝塞爾波束的反射型光學(xué)透明超表面

Zhao等提出了一種利用全息張量超表面產(chǎn)生具有柔性偏轉(zhuǎn)方向、多波束、任意圓極化的貝塞爾波束的方法，如圖4所示，使表面波的調(diào)制更加精確。

圖4 產(chǎn)生任意圓極化貝塞爾波束的全息張量超表面

Xiao等通過推導(dǎo)準(zhǔn)非衍射波束產(chǎn)生不同光斑大小的幾何相位計(jì)算表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束光斑大小的調(diào)節(jié)，如圖5所示。

圖5 用于準(zhǔn)非衍射波束光斑尺寸調(diào)節(jié)和微波功率傳輸?shù)某砻?/p>

Azarbahram等利用動(dòng)態(tài)超表面天線對(duì)能量波束生成進(jìn)行優(yōu)化，用于最大限度降低發(fā)射功率，并滿足多設(shè)備的能量收集需求。

1.3 耦合諧振增強(qiáng)超表面

Hiep等利用一種可彎曲可折疊的超表面來提高工作在13.56 MHz磁耦合式無線電力傳輸系統(tǒng)的效率，如圖6所示。Dellabate等利用共形超表面屏蔽外界磁場(chǎng)以提高無線電力傳輸系統(tǒng)效率。Wu等將超表面應(yīng)用于移動(dòng)無線電力傳輸系統(tǒng)中極化失配導(dǎo)致的效率下降問題。

圖6 用于磁諧振無線電力傳輸系統(tǒng)中的可彎曲可折疊超表面

如圖7所示，Chen等提出了一種用于無線電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)嵌入式超表面，使更多的磁力線通過接收器，用于在不占用額外體積的同時(shí)提高耦合系數(shù)和能量傳輸效率。Rashid等提出了一種用于移動(dòng)機(jī)器人無線充電的低邊緣場(chǎng)高功率密度電容式無線電力傳輸，如圖8所示，通過在耦合板周圍的金屬環(huán)引入氣隙來實(shí)現(xiàn)電容耦合器，從而降低邊緣電場(chǎng)。

圖7 發(fā)射機(jī)嵌入式超表面結(jié)構(gòu)及有無超表面時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

圖8 基于超表面進(jìn)行無線充電的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景

2 無線能量收集超表面

能量收集超表面以其優(yōu)秀的極化不敏感和入射角不敏感特性，可以很好地用在無線輸能系統(tǒng)中的接收端。能量收集超表面通常用于捕獲特定發(fā)射機(jī)發(fā)射的射頻能量，器件在較高的入射功率下可以高效運(yùn)行。

2.1 分段式能量收集超表面

Song等提出了一種寬入射角寬帶能量收集超表面。Chang等創(chuàng)新性地提出簡(jiǎn)化整流電路的方法，如圖9所示。可穩(wěn)定收集射頻能量，但同時(shí)也有一系列缺點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量損耗大、非線性元件會(huì)引起輸入阻抗的變化等。

圖9 帶有諧波抑制功能的能量采集超表面系統(tǒng)

2.2 一體化能量收集超表面

Song等提出了一種阻抗匹配消除技術(shù)，省去功率合成網(wǎng)絡(luò)和整流電路。Wang等設(shè)計(jì)了由指狀組合型結(jié)構(gòu)和方形環(huán)結(jié)構(gòu)組成的整流超表面，如圖10所示。該結(jié)構(gòu)可以采集覆蓋2.4 GHz無線局域網(wǎng)頻段的射頻能量，且具有極化不敏感的特點(diǎn)。Yu等利用2個(gè)具有寬阻抗帶寬的正交階梯狀偶極子作為超表面單元，如圖11所示。實(shí)驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)在工作頻帶內(nèi)的能量采集效率始終高于45%，在5 GHz處的峰值效率可達(dá)63%。

圖10 2.45 GHz極化不敏感整流超表面

圖11 寬阻抗帶寬的正交階梯狀偶極子整流超表面

Gui等提出了一種柔性三頻段極化不敏感整流超表面，大大擴(kuò)展了其應(yīng)用場(chǎng)景。Lu等則將柔性可共形抗疲勞整流超表面系統(tǒng)（RMS）貼合在機(jī)翼背面，如圖12所示，既能解決雷達(dá)散射和電磁干擾的問題，又能進(jìn)行射頻能量采集以回收輻射功率。

圖12 搭載柔性整流超表面的無人機(jī)輔助無線通信與互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

2.3 多功能能量收集超表面

Zhang等提出了利用極化敏感超表面估計(jì)線極化入射電磁波極化角的方法，如圖13所示，有望用于慢時(shí)變特性輻射源的極化檢測(cè)和極化跟蹤。

圖13 具有極化檢測(cè)功能的極化敏感能量收集超表面

如圖14所示，Kumar等利用注意力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（SANN）在12.5 GHz頻段貼片天線的上層設(shè)計(jì)超表面，以實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向能力和射頻能量收集功能。

圖14 利用深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)兼具波束轉(zhuǎn)向與能量收集功能的超表面方法

Yang等提出了一種可通過調(diào)節(jié)離子液滴高度進(jìn)行頻率調(diào)諧的多功能能量收集超表面，如圖15所示，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同吸收帶寬的切換以及能量的收集和轉(zhuǎn)換功能。

圖15 利用離子液滴振動(dòng)調(diào)節(jié)高度的可調(diào)頻多功能復(fù)合超表面

3 同步無線信息與電力傳輸超表面

隨著IoT技術(shù)的發(fā)展，同步無線信息與電力傳輸技術(shù)（SWIPT）得到了迅速發(fā)展。Varshney等在2008年首先提出這一概念，并用理論公式對(duì)工作過程進(jìn)行了演繹，旨在為功率與信息的權(quán)衡提供理論指導(dǎo)。

3.1 功率分配理論

SWIPT系統(tǒng)理想的接收機(jī)可以使相同的信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)侥芰拷邮掌髋c信號(hào)解碼器，但目前還沒有實(shí)用電路可以實(shí)現(xiàn)這種操作。Yu等利用上述功率分集方案進(jìn)行SWIPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直流射頻信號(hào)與信息在空間域上的分離，而不需要設(shè)計(jì)額外的功率分集器或耦合器。如圖16所示，Chen等深入研究了傳感、通信與供電之間的基本性能的權(quán)衡限制，在傳感?通信?供電之間得到了最好的平衡。

圖16 集成傳感、通信和SWIPT的多功能無線系統(tǒng)

為了獲得速率與能量之間的最佳折衷，調(diào)制形式根據(jù)目標(biāo)傳輸速率的變化而實(shí)時(shí)變化是最有效的方式，使未來功率分集SWIPT技術(shù)更加可靠和成熟。

3.2 極化分集方案

Liu等提出了一種基于各向異性超表面場(chǎng)的多目標(biāo)極化分集SWIPT方案，設(shè)計(jì)出了能夠獨(dú)立調(diào)制雙線極化波的超表面，如圖17所示，這使得超表面具有單饋多焦和雙饋多焦的輻射特點(diǎn)，可以應(yīng)用于多目標(biāo)SWIPT場(chǎng)景。

圖17 基于各向異性超表面場(chǎng)的多目標(biāo)SWIPT系統(tǒng)

完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以有效提高超表面工作時(shí)的抗干擾能力和能量與信息傳輸效率，如圖18所示。該系統(tǒng)有著集成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信模塊和人工智能算法，但是全息張量超表面的不可調(diào)諧使得2種不同極化波的功率比例被固定而無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，搭建可調(diào)諧的SWIPT系統(tǒng)將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

圖18 全息張量超表面結(jié)合極化分集接收超表面形成的SWIPT系統(tǒng)

3.3 頻率分集方案

全息成像與SWIPT都是多頻超表面的熱點(diǎn)應(yīng)用，Zhang等實(shí)現(xiàn)全空間復(fù)振幅超表面，可以在2個(gè)不同頻率處產(chǎn)生2個(gè)不同的高質(zhì)量全息圖像。Kudaibergenova等利用緊湊超材料組成了雙頻工作的SWIPT系統(tǒng)，如圖19所示，可以使SWIPT效率分別提升14%和7%。

圖19 雙頻SWIPT系統(tǒng)

4 可重構(gòu)無線輸能超表面

可重構(gòu)智能超表面（RIS）實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波不同的響應(yīng)，賦予了超表面高度的靈活性，被認(rèn)為是第六代移動(dòng)通信（6G）中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.1 無線電力傳輸輔助RIS

Mu等首先提出了自供電RIS的概念，需要利用頻率分集或者極化分集以實(shí)現(xiàn)多功能。如圖20所示，這使得RIS不需要任何外部電池或者有線電源即可實(shí)現(xiàn)不同方向的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，具有了所謂的“無限壽命”。

圖20 具有“無限壽命”自供電RIS

Chang等提出了自供電信息?能量超表面，如圖21所示，有效地消除了有線束縛，有望解決盲區(qū)覆蓋等問題，具有良好的商業(yè)價(jià)值。

圖21 自供電信息?能量超表面

4.2 RIS輔助無線電力傳輸

Chen等將RIS集成到基于磁耦合的無線充電系統(tǒng)中，如圖22所示，可以將發(fā)射端產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)時(shí)聚焦到接收端，這使移動(dòng)目標(biāo)始終能接收到較高的能量密度，進(jìn)行穩(wěn)定的無線充電。

圖22 超表面輔助小型移動(dòng)設(shè)備的遠(yuǎn)程無線充電

Li等提出了一個(gè)完整的亞波長(zhǎng)尺寸無線電力傳輸框架，如圖23所示，保證了低成本和小型化等優(yōu)點(diǎn)，具有完整的工作流程和極高的可行性，適用于動(dòng)態(tài)多目標(biāo)的無線充電和信息傳輸，有望推動(dòng)超表面無線傳輸路由器的商業(yè)化。

圖23 完整的亞波長(zhǎng)尺寸無線電力傳輸無線充電系統(tǒng)

如圖24所示，Xia等利用雙頻超表面結(jié)合時(shí)空編碼和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種自適應(yīng)無線供電網(wǎng)絡(luò)，將推動(dòng)IoT、智能超表面和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖24 自適應(yīng)無線供電網(wǎng)絡(luò)

基于RIS的無線自適應(yīng)充電系統(tǒng)，除了受限的充電距離外，當(dāng)進(jìn)行多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)同時(shí)無線充電時(shí)，如何提供實(shí)時(shí)反饋和有效的能量分配將面臨重大挑戰(zhàn)。盡管如此，RIS與無線輸能技術(shù)的融合，都有著重要研究意義，是智能無線輸能領(lǐng)域的新范式。

4.3 RIS輔助SWIPT

Huang等對(duì)動(dòng)態(tài)超表面天線輔助的SWIPT下行系統(tǒng)中的功率收集要求和速率最大化問題進(jìn)行了深入的理論研究，有望用于MIMO系統(tǒng)。

Yaswanth等提出了同時(shí)傳輸和反射（STAR?RIS）的新概念，將重點(diǎn)放在發(fā)射功率最小化問題上，以實(shí)現(xiàn)綠色通信。如圖25所示，Zheng等提出了RIS輔助的SWIPT和無線計(jì)算聯(lián)合學(xué)習(xí)系統(tǒng)，以較小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)多設(shè)備、多用戶的穩(wěn)定無線通信與功率傳輸，是未來RIS輔助的SWIPT系統(tǒng)的重要研究方向。

圖25 RIS輔助的SWIPT和無線計(jì)算聯(lián)合學(xué)習(xí)系統(tǒng)

5 結(jié)論

無線輸能超表面發(fā)展迅速，促進(jìn)了無線充電技術(shù)的發(fā)展，使龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中眾多用電設(shè)備擺脫供電線纜的束縛不再是暢想。超表面以其緊湊高效的特性和強(qiáng)大的電磁波調(diào)控能力，勢(shì)必會(huì)在無線輸能技術(shù)中得到更深入的研究與應(yīng)用。無線通信技術(shù)的融合，開啟了信息與電力同步傳輸?shù)男路妒剑谥腔鄢鞘小⒅腔坜r(nóng)業(yè)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域顯示出了強(qiáng)大的潛力。

對(duì)于無線輸能超表面的未來發(fā)展，可以結(jié)合以下幾個(gè)方面考慮：

（1）將工作在能量傳輸路徑中的超表面調(diào)整到與發(fā)射端或接收端集成，減小系統(tǒng)體積并提高靈活度；

（2）進(jìn)一步抑制能量波束損耗，并盡可能降低障礙物對(duì)能量波束的干擾，提高傳輸效率；

（3）開發(fā)超低功率能量收集超表面，使利用環(huán)境射頻能量為無線設(shè)備進(jìn)行永久可持續(xù)供電成為現(xiàn)實(shí)；

（4）將可重構(gòu)智能超表面與同步無線信息與電力傳輸技術(shù)深度融合，權(quán)衡信息速率與能量功率的比例，為無線輸能技術(shù)賦予更強(qiáng)的操作性、更高的靈活性和更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文作者：司黎明、馬天宇、黨晨陽(yáng)、劉博洋、孫厚軍、呂昕

作者簡(jiǎn)介：司黎明，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院、毫米波與太赫茲技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、臨近空間環(huán)境特性及效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。

課題組簡(jiǎn)介：司黎明教授課題組隸屬于臨近空間環(huán)境特性與效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、毫米波與太赫茲技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。專注于智能電磁領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)理論與技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)電磁波控制技術(shù)在通信、雷達(dá)、傳感、能源等領(lǐng)域應(yīng)用。聚焦電磁感知與智能調(diào)控理論與技術(shù)，涵蓋人工智能、電磁場(chǎng)理論、超材料、天線、太赫茲及雷達(dá)仿真等多學(xué)科交叉研究。開發(fā)智能電磁控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制電磁波的收發(fā)參數(shù)以適應(yīng)臨近空間環(huán)境變化，提高感知與探測(cè)效率。課題組匯聚國(guó)內(nèi)外頂尖科研人才，構(gòu)建高水平跨學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，推行“全教學(xué)全科研”的人才培養(yǎng)模式，培育具備“延安根、軍工魂、領(lǐng)軍人”特質(zhì)的領(lǐng)軍領(lǐng)導(dǎo)人才，并積極推動(dòng)科研成果產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略與社會(huì)發(fā)展需求。

文章來 源 ： 司黎明, 馬天宇, 黨晨陽(yáng), 等. 無線輸能超表面技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(18): 23?40 .

本文轉(zhuǎn)載自《科技導(dǎo)報(bào)》微信公眾號(hào)

《物理》50年精選文章