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毫米波基站作為第五代行動通訊（5G）及未來6G網路的核心裝置，憑藉其豐富的頻譜資源和高速傳輸能力，為使用者的生活與工作帶來了極大便利。然而，毫米波基站面臨著一系列挑戰：因其波長短，訊號易受障礙物阻擋和衰減，導致基站需要配備更多精密的天線陣列以實現訊號的有效覆蓋，不僅大幅度推高了硬體成本，還導致嚴峻的功耗問題。因此亟需創新性的解決方案，以平衡效能與成本、能耗之間的制約關係。
針對上述難題，東南大學毫米波全國重點實驗室程強教授和崔鐵軍院士團隊提出了一種全新的解決思路——基於可程式設計超表面的大規模毫米波波束賦形系統，並在此基礎上構建了毫米波基站樣機，在自由空間實現了四流資訊的獨立傳輸，顯著降低了系統成本和功耗。相關成果發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。
圖1. 基於可程式設計超表面的多流6G智慧毫米波基站
一體化產品級硬體架構設計
研究團隊用可程式設計超表面取代了部分傳統射頻前端元件，利用其強大的電磁調控能力，實現了訊號波束的發射與賦形。該系統主要由三個核心部分組成：
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盤錐天線饋源：該天線具有寬頻、高增益和背向散射的特點，能夠在多種頻段內穩定工作。其結構簡單、易於製造和安裝，具備良好的阻抗匹配性、低損耗和小尺寸優勢。
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可程式設計智慧超表面陣面：智慧超表面陣面由30×30個週期排列的超表面單元構成，每個單元集成了兩個獨立控制的PIN二極體，可實現2-bit的電磁波相位調控。透過獨立調控單元相位，可實現寬角域內的波束賦形。
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高整合度控制板：控制板配備一個FPGA晶片、38個電源驅動晶片、以及1800個獨立電壓輸出埠，確保對超表面單元相位狀態的精確控制。所有驅動晶片同步接收FPGA的狀態切換指令，實現陣面相位編碼的即時切換，保障系統的穩定執行。
圖2. 基於可程式設計超表面的智慧毫米波基站系統架構拆解圖
在實際測試中，該系統能夠在俯仰角從-70°到70°、方位角從0到360°的空間範圍內實現精準的波束賦形，同時保持較高的輻射增益。
輔助6G智慧毫米波基站通訊驗證
基於上述波束賦形系統，研究團隊成功搭建了原理驗證樣機，並驗證了其無線通訊能力。實驗表明，只有當波束賦形系統在指定方向工作時，傳輸的影片訊號才能被正常解調接收（圖3b-e）；當系統停止工作時，影片傳輸出現明顯的卡頓（圖3f-i）。
圖3. 基於可程式設計超表面的單流6G智慧毫米波基站通訊實驗
為了進一步提升效能，團隊還開發了基於可程式設計超表面的四流智慧毫米波基站樣機。與單流樣機相比，四流樣機能同時支援四路訊號的獨立傳輸，且平均工作功率僅為60W，顯著降低了功耗。
基於可程式設計超表面的四流6G智慧毫米波基站通訊實驗場景
未來應用與展望
該工作為6G毫米波基站的設計提供了全新的技術路徑。未來，該技術有望應用於6G通訊網路，進一步降低系統的成本和功耗。
論文第一作者為東南大學毫米波全國重點實驗室博士生張俊偉，博士生祁振杰和吳利傑為共同第一作者，通訊作者為東南大學毫米波全國重點實驗室戴俊彥副研究員、程強教授和崔鐵軍院士。該研究得到了國家自然科學基金卓越研究群體（原基礎科學中心）、國家自然科學基金傑出青年科學基金、國家重點研發計劃、江蘇省前沿引領技術基礎研究專項專案、高等學校學科創新引智計劃、江蘇省自然科學基金專案、中國科協青年人才託舉工程、東南大學博士生創新能力培養計劃等專案的支援。
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