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  上世纪六七十年代，隐身技术红极一时，即使在今天，隐身材料依然是尖端技术。使物体可以在光天化日之下“隐身”的，是一种等效超材料，这种超材料通过人工微结构构造出了一些自然界不存在的材料参数，通过特殊的材料参数控制了电磁波，形成了“隐身”“黑洞”这样的电磁效果。
  超材料对电磁波的控制引起了很多专家学者的研究兴趣，在中国的发展速度也很快，目前我国在超材料领域的研究已经处于全球第一梯队中。2014年，中国科学院院士、东南大学毫米波国家重点实验室主任崔铁军团队首次将超材料对电磁波的动态控制，以数字编程的方式实现，从而为6g技术研究打开了一个新的领域，这种超材料被命名为“信息超材料”，并以其灵活性、低成本和高效率，成为当前6g研究的宠儿。
  4月7日，智能超表面（ris）技术联盟成立，智能超表面是信息超材料的应用技术之一，吸引了国际、国内80多家单位，涵盖大专院校、科研机构、学术团体、标准化组织，以及终端与芯片、仪器仪表、设备制造、运营企业等上下游单位。

  1、一座里程碑
  做隐身用的等效材料有一个明显的缺点，就是其中的人工微结构是固定的，不能变化，这意味着功能也是固定的，不能按照意愿实时地控制电磁波，这限制了超材料的应用场景，降低了使用价值。

  2014年，崔铁军院士团队在国际上率先提出数字超材料的概念，并展示了第一块现场可编程超材料，借助fpga输出序列调整超表面单元内部二极管开关的通断，在物理空间中实现了对电磁波的直接调控，开创了数字可编程超材料研究的先河，并在国际上引发大量关注。
  要把一个无源的微结构做成一个动态的有源超材料（无源指无需供电，有源指需要供电），就是要实现两个目标，一是微结构要能对电磁波动态调控，二是可以用数字来实现这种调控。
  在数字超材料中，数字0和1代表的是两种相反的物理状态，例如相位的正相和反相，0透射和全透射等。在最初的设计中采用有源的二极管（pin）来设计这个微结构，当二极管接通和断开时，会产生180度的相位差，同时二极管的接通和断开也可以对应高电平和0电平，这恰与数字电路中的0和1是相同的，从而将电磁波控制的物理行为与数字电路的0和1的计算对应起来。
  在二极管之后，变容管、三极管、mems、液晶、石墨烯、相变材料等都被引入超表面研究，调控手段得以进一步丰富，实现了对电磁波幅度、相位、极化等状态的灵活调控。随后，崔铁军院士在融合信息、电子、材料等科学的基础上提出了信息超材料的概念，将超材料的研究由单纯的空间编码拓展至空间-时间-频率等多域联合编码，并应用于对空间电磁信息的直接调制。这一系列工作开创了连接数字世界与物理世界的新范式，并为基于信息超材料的下一代无线通信系统研究作了基础性和前瞻性铺垫，具有里程碑意义。
  信息超材料技术一诞生，就显示出在多种场景中应用的潜力。在fpga之后，崔铁军团队又在研究加入传感器和人工智能算法，以此来实现信息超材料的自适应能力。例如一个飞行中的飞机可以利用这种技术自动将电磁波主波对准特定的卫星。

  2、6g通信用材料
  与5g相比，6g用新材料的性能要求更为苛刻。6g通信用材料品种异常丰富，从天线材料、导热散热材料、高频覆铜板基材、电磁屏蔽材料等都有着巨大的市场空间。6g的布局必将带动整个产业链的发展，推动供给侧改革，新材料企业面临着机遇和挑战。

  天线材料
  目前5g最高使用毫米波频段，未来可能随着芯片或者物理技术的成熟， 6g是否会进入太赫兹频段，还要看5g毫米波大规模商业后的应用程度和带来的技术价值，但当前对太赫兹的研究是不可或缺的。
  太赫兹频段是指100ghz-10thz，是一个频率比5g高出许多的频段。从通信1g（0.9ghz）到现在的4g（1.8ghz以上），我们使用的无线电磁波的频率在不断升高。
  6g通信同样需要使用天线，但由于其使用的是太赫兹频段，比5g使用频段的频率更高，所以与改性聚酰亚胺相比，lcp可能更适合做天线材料。这是因为在高频阶段，mpi的传输将受到限制，该波段lcp优势明显，更高频率的信号传输要求以及生产成本降低将促使lcp材料加快替代进程。
  高频覆铜板基材
  目前常见的高频高速覆铜板用特种树脂材料主要有碳氢树脂、ptfe、ppe（也称ppo）、lcp等。
  1）ptfe
  ptfe俗称塑料王，具有低损耗、小介电常数和较好的绝缘性，ptfe薄膜是制造电容器、无线电绝缘衬垫、绝缘电缆、马达及变压器的理想材料，也是航空航天、军工、5g通讯等工业电子部件不可缺少的材料，ptfe优异的介电性也使其成为6g高频覆铜板基材的重要备选材料之一。
  2）ppe（ppo）
  聚苯醚（ppe）具有比重低、吸水率低、优异的耐热性和耐化学性、良好的电绝缘性、优异的介电性等优点。同时还具备对铜箔的粘结性，非常适合应用于高频高速覆铜板。
  3）lcp
  作为一种液晶高分子化合物，lcp具有高强度、高耐热性、极小的线膨胀系数极小、阻燃性和介电性质优良等特点。
  lcp的分子主链上存在大量的刚性苯环，这决定了lcp独特的加工性质，lcp加热到一定温度时，只要稍微给一点剪切力就会拥有水一样的流动性，这一特性使lcp更容易成型薄壁或薄膜产品。
  电子电气是lcp的主要市场，除了柔性覆铜板以外，lcp还可应用于手机天线、人造卫星电子部件等。
  电磁屏蔽材料
  太赫兹波段的电磁波比穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此6g对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。目前，广泛应用的电磁屏蔽材料主要有导电布、导电橡胶、导电泡棉、导电涂料、吸波材料、导电屏蔽胶带等。
  导热散热材料
  对电子设备而言，其可靠性越高，无故障工作的时间就越长，从而越能提高产品竞争力以及提升用户的体验。导热材料主要用于解决电子设备的热管理问题。运行中产生的热量将直接影响电子产品的性能和可靠性。
  试验已经证明，电子元器件温度每升高2°c，可靠性下降10%；温升50°c时的寿命只有温升25°c时的1/6。随着集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小，其功率密度却快速增加，散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。
  石墨烯是已知的导热系数最高的物质，理论导热率达到5300w/（m*k），远高于石墨，它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体，厚度仅为0.335nm，又称为单层石墨，是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。
  石墨烯的快速导热特性与快速散热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，成为6g行业中广泛应用的导热散热材料。
  除此之外，石墨烯还可以用于核心的半导体领域以及6g相关的辅助器件（超级电容器、散热元件和天线等）
  由于6g设备需要的能量将比现在的4g和5g手机更少，可以使用超级电容器来取代锂电池。超级电容器虽然容量不如锂电池，但拥有比锂离子电池更高的能量密度、更长的使用寿命和更快的充放电速度，因此在对容量需求较低时是更好的储能选择。石墨烯卓越的导电性、比表面积以及与新电解质材料的兼容性使其成为超级电容器的首选材料之一。
  3、受宠6g研究
  一种颠覆性技术的引入，往往是传统的技术路径在满足新需求时碰到不好逾越的困难。人类在解决最基本的自身保暖的问题上，上千年主要利用棉花，但要实现又保䁔又轻便，棉花明显不如羽绒。这也是6g研究中一直在寻找原创性技术的原因，希望另辟蹊径解决问题。
  无线通信技术从3g开始，为了实现更大的信号传输的吞吐量，在天线技术上做了很多改进，从智能天线到多天线，从多天线再到天线阵列，4g时就引入了天线阵列（mimo），5g引入了大规模天线阵列（massive mimo）。天线的数量从1对（发射和接收各1根天线）开始，经历2对、4对、8对，现在主流5g宏基站普遍用的是64对天线。在5g研究之初，大家热衷讨论的甚至是128对、256对。
  从理论上讲，更高的天线对数带来更好的传输带宽，但为什么128对、256对天线并没有规模商用？因为5g和6g都面临一个系统性的挑战，mimo、毫米波通信的天线的核心体制是阵列体制，一个明显的缺点是成本高、系统复杂、功耗大。
  6g采用超大规模天线阵列或者使用太赫兹频段时，这个矛盾会更加突出。而信息超材料则给出了一种路径，通过超材料对电磁波的控制，可以把天线的物理特性与基带的数字特性结合起来，简化了天线技术，而且功耗明显降低，成本也会有明显下降。
  2021年7月，中国移动携手东南大学电磁空间科学与技术研究院率先在 5g 现网完成智能超表面技术实验，结果表明智能超表面可根据用户分布灵活地调整无线环境中的信号波束，显著改善现网弱覆盖区域的信号强度、网络容量和用户速率，预示了信息超材料技术在未来无线通信中的广泛应用前景。
  4、带刺的玫瑰
  在中国移动近期发布的《6g信息技术超材料白皮书》中，集中反映出了中国移动对超材料、信息超材料在通信中应用的探索。
  中国移动研究院首席专家袁弋非说：“通信中的超材料可以用于超材料天线、智能反射面、波束赋型超表面基站和信息调制超表面基站中。”
  超材料可以用于做天线盖板，提高天线收发信号的能力、降低天线高度。信息超材料有一个很大的用途是做智能反射面（ris），具有灵活部署、节能的优点，还能够扩大网络的覆盖，提升网络容量，并且抑制电磁干扰。 
  “从应用部署上来看，信息超材料可以分三步走来实现。”袁弋非说，“第一步最简单，超材料是静态和半静态的工作模式，适合用来做网络补盲，优点是控制简单，缺点是不够灵活，第二步是折中，事先给超材料环境分配一些波束，需要不断调整，灵活性差一些；第三步是在小尺度的信道上做实时的调整，不断做估计和反馈，从而对每一个天线振子的相位做单独的动态调整，充分发挥智能超表面的性能优势。当然第三步是比较复杂的，现在也存在很多技术挑战。”
  这种革命性技术的挑战也是明显的。目前挑战主要在硬件实现、工程部署、方案设计和组网架构上。从硬件看，二极管等器件的切换速率是受限，实现高频率的动态调控有难度，由于目前器件成熟度不够，材料制做成本偏高；在工程部署上，智能超表面的面板尺寸比较大，风阻大，和现在的天线面板相比，不易部署；在理论上，缺乏可靠完整的传输理论基础、信息和系统模型；而且控制方式的改变，对网络架构设计、功耗等都有影响，在多带宽、多制式下的组网方案还要进一步明确。

  文章来源： 中国电子报，塑库网
  原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_509159.html
  来源：贤集网
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