超表面+无线输能，解锁移动设备能源新范式

来源：滚动播报

（来源：科创中国）

随着无线通信与人工智能技术的发展，小型移动设备的数量正在急剧增加，传统有线电力供应模式已不能满足人们对便携性和移动性的需求。射频与微波无线输能技术能够摆脱有线能源的限制，在无线设备中具有巨大的应用潜力。本文综述了超表面技术的关键热点，介绍了无线输能融合无线通信、无线传感、可重构智能超表面和目标识别与定位等技术的研究进展。

21世纪以来，无线通信与人工智能技术得到了广泛的发展，进而使得物联网（IoT）得到了暴发式增长。当前，无线传感器网络和智能移动终端等IoT设备的运行，无法离开供电线缆或化学电池提供能量。但是，供电线缆、化学电池的使用，为设备使用场景带来了巨大的限制和严重的环境污染。无线输能技术可以摆脱线缆或电池的限制，从而实现设备与电源的分离，因此得到了广泛关注和快速发展。

超表面是一种由亚波长结构组成的二维人工材料，通过改变其单元的几何形状和空间排列，可以灵活调控电磁波的幅度、相位和极化等基本特性。无线输能超表面技术的关键热点，主要包括无线输能融合无线通信、无线传感、可重构智能超表面和目标识别与定位等技术的最新进展，如图1所示。无线输能超表面技术的主要目标在于减少能量损耗，提高传输效率。

图1 无线输能超表面技术

1、无线电力传输超表面

与有线供电技术相比，无线电力传输可以使设备摆脱线缆的限制，降低布置要求与维护成本。然而，由于无线信道的缺陷，如路径损耗、阴影和多径衰落，特别是当能量发射器到接收器的距离较长时，射频无线电力传输通常以较低的能量效率运行。超表面强大的电磁波束调控能力为研究人员提供了解决上述问题的思路。

1.1 聚焦超表面

利用超表面强大的相位与振幅调控能力和波前操作能力，聚焦电磁波束到能量接收端，是提高射频无线电力传输系统能量传输系数的有效手段，同时能够在不降低接收效率的前提下缩小接收端口径，实现系统的小型化。Yu等提出了一种量化相位梯度近场聚焦超表面来提高电力传输系数，却没有解决在远场如何保持焦点的问题，这使得无线输能系统的工作距离受到极大限制。Falchi等提供了远距离低频磁场聚焦的思路，这项研究对提高无线电力传输工作距离有着指导作用。Xiong等提出了在接收端利用反射相位梯度超表面将入射波转换为表面波，再由专门的表面波能量汇聚阵列进行能量采集的新思路，如图2所示。

图2 反射相位梯度超表面+表面波能量汇聚阵列

1.2 无衍射波束超表面

无衍射波束的强度在一定范围内随着传播距离的增加不会发散，在传播过程中的形状和尺度的变化可以人为控制。Dong等在反射型光学透明超表面中应用几何光学方法确定相位分布，从而产生了高效的零阶贝塞尔波束，如图3所示，有望集成到太阳能收集系统中进行高效微波功率传输。

图3 用于产生零阶贝塞尔波束的反射型光学透明超表面

Zhao等提出了一种利用全息张量超表面产生具有柔性偏转方向、多波束、任意圆极化的贝塞尔波束的方法，如图4所示，使表面波的调制更加精确。

图4 产生任意圆极化贝塞尔波束的全息张量超表面

Xiao等通过推导准非衍射波束产生不同光斑大小的几何相位计算表达式，实现对波束光斑大小的调节，如图5所示。

图5 用于准非衍射波束光斑尺寸调节和微波功率传输的超表面

Azarbahram等利用动态超表面天线对能量波束生成进行优化，用于最大限度降低发射功率，并满足多设备的能量收集需求。

1.3 耦合谐振增强超表面

Hiep等利用一种可弯曲可折叠的超表面来提高工作在13.56 MHz磁耦合式无线电力传输系统的效率，如图6所示。Dellabate等利用共形超表面屏蔽外界磁场以提高无线电力传输系统效率。Wu等将超表面应用于移动无线电力传输系统中极化失配导致的效率下降问题。

图6 用于磁谐振无线电力传输系统中的可弯曲可折叠超表面

如图7所示，Chen等提出了一种用于无线电力传输系统的发射机嵌入式超表面，使更多的磁力线通过接收器，用于在不占用额外体积的同时提高耦合系数和能量传输效率。Rashid等提出了一种用于移动机器人无线充电的低边缘场高功率密度电容式无线电力传输，如图8所示，通过在耦合板周围的金属环引入气隙来实现电容耦合器，从而降低边缘电场。

图7 发射机嵌入式超表面结构及有无超表面时的磁场强度对比

图8 基于超表面进行无线充电的移动机器人应用场景

2、无线能量收集超表面

能量收集超表面以其优秀的极化不敏感和入射角不敏感特性，可以很好地用在无线输能系统中的接收端。能量收集超表面通常用于捕获特定发射机发射的射频能量，器件在较高的入射功率下可以高效运行。

2.1 分段式能量收集超表面

Song等提出了一种宽入射角宽带能量收集超表面。Chang等创新性地提出简化整流电路的方法，如图9所示。可稳定收集射频能量，但同时也有一系列缺点，例如结构复杂、能量损耗大、非线性元件会引起输入阻抗的变化等。

图9 带有谐波抑制功能的能量采集超表面系统

2.2 一体化能量收集超表面

Song等提出了一种阻抗匹配消除技术，省去功率合成网络和整流电路。Wang等设计了由指状组合型结构和方形环结构组成的整流超表面，如图10所示。该结构可以采集覆盖2.4 GHz无线局域网频段的射频能量，且具有极化不敏感的特点。Yu等利用2个具有宽阻抗带宽的正交阶梯状偶极子作为超表面单元，如图11所示。实验表明该结构在工作频带内的能量采集效率始终高于45%，在5 GHz处的峰值效率可达63%。

图10 2.45 GHz极化不敏感整流超表面

图11 宽阻抗带宽的正交阶梯状偶极子整流超表面

Gui等提出了一种柔性三频段极化不敏感整流超表面，大大扩展了其应用场景。Lu等则将柔性可共形抗疲劳整流超表面系统（RMS）贴合在机翼背面，如图12所示，既能解决雷达散射和电磁干扰的问题，又能进行射频能量采集以回收辐射功率。

图12 搭载柔性整流超表面的无人机辅助无线通信与互联网的应用场景

2.3 多功能能量收集超表面

Zhang等提出了利用极化敏感超表面估计线极化入射电磁波极化角的方法，如图13所示，有望用于慢时变特性辐射源的极化检测和极化跟踪。

图13 具有极化检测功能的极化敏感能量收集超表面

如图14所示，Kumar等利用注意力神经网络（SANN）在12.5 GHz频段贴片天线的上层设计超表面，以实现波束转向能力和射频能量收集功能。

图14 利用深度学习设计兼具波束转向与能量收集功能的超表面方法

Yang等提出了一种可通过调节离子液滴高度进行频率调谐的多功能能量收集超表面，如图15所示，可以同时实现不同吸收带宽的切换以及能量的收集和转换功能。

图15 利用离子液滴振动调节高度的可调频多功能复合超表面

3、同步无线信息与电力传输超表面

随着IoT技术的发展，同步无线信息与电力传输技术（SWIPT）得到了迅速发展。Varshney等在2008年首先提出这一概念，并用理论公式对工作过程进行了演绎，旨在为功率与信息的权衡提供理论指导。

3.1 功率分配理论

SWIPT系统理想的接收机可以使相同的信号同时传输到能量接收器与信号解码器，但目前还没有实用电路可以实现这种操作。Yu等利用上述功率分集方案进行SWIPT系统的设计，实现了直流射频信号与信息在空间域上的分离，而不需要设计额外的功率分集器或耦合器。如图16所示，Chen等深入研究了传感、通信与供电之间的基本性能的权衡限制，在传感−通信−供电之间得到了最好的平衡。

图16 集成传感、通信和SWIPT的多功能无线系统

为了获得速率与能量之间的最佳折衷，调制形式根据目标传输速率的变化而实时变化是最有效的方式，使未来功率分集SWIPT技术更加可靠和成熟。

3.2 极化分集方案

Liu等提出了一种基于各向异性超表面场的多目标极化分集SWIPT方案，设计出了能够独立调制双线极化波的超表面，如图17所示，这使得超表面具有单馈多焦和双馈多焦的辐射特点，可以应用于多目标SWIPT场景。

图17 基于各向异性超表面场的多目标SWIPT系统

完整系统的设计可以有效提高超表面工作时的抗干扰能力和能量与信息传输效率，如图18所示。该系统有着集成无线传感器网络、通信模块和人工智能算法，但是全息张量超表面的不可调谐使得2种不同极化波的功率比例被固定而无法实时调节，限制了系统的应用场景，搭建可调谐的SWIPT系统将成为未来的发展趋势。

图18 全息张量超表面结合极化分集接收超表面形成的SWIPT系统

3.3 频率分集方案

全息成像与SWIPT都是多频超表面的热点应用，Zhang等实现全空间复振幅超表面，可以在2个不同频率处产生2个不同的高质量全息图像。Kudaibergenova等利用紧凑超材料组成了双频工作的SWIPT系统，如图19所示，可以使SWIPT效率分别提升14%和7%。

图19 双频SWIPT系统

4、可重构无线输能超表面

可重构智能超表面（RIS）实现对入射电磁波不同的响应，赋予了超表面高度的灵活性，被认为是第六代移动通信（6G）中的关键技术之一。

4.1 无线电力传输辅助RIS

Mu等首先提出了自供电RIS的概念，需要利用频率分集或者极化分集以实现多功能。如图20所示，这使得RIS不需要任何外部电池或者有线电源即可实现不同方向的动态调节，具有了所谓的“无限寿命”。

图20 具有“无限寿命”自供电RIS

Chang等提出了自供电信息−能量超表面，如图21所示，有效地消除了有线束缚，有望解决盲区覆盖等问题，具有良好的商业价值。

图21 自供电信息−能量超表面

4.2 RIS辅助无线电力传输

Chen等将RIS集成到基于磁耦合的无线充电系统中，如图22所示，可以将发射端产生的磁场实时聚焦到接收端，这使移动目标始终能接收到较高的能量密度，进行稳定的无线充电。

图22 超表面辅助小型移动设备的远程无线充电

Li等提出了一个完整的亚波长尺寸无线电力传输框架，如图23所示，保证了低成本和小型化等优点，具有完整的工作流程和极高的可行性，适用于动态多目标的无线充电和信息传输，有望推动超表面无线传输路由器的商业化。

图23 完整的亚波长尺寸无线电力传输无线充电系统

如图24所示，Xia等利用双频超表面结合时空编码和卷积神经网络提出了一种自适应无线供电网络，将推动IoT、智能超表面和机器人产业的发展。

图24 自适应无线供电网络

基于RIS的无线自适应充电系统，除了受限的充电距离外，当进行多运动目标同时无线充电时，如何提供实时反馈和有效的能量分配将面临重大挑战。尽管如此，RIS与无线输能技术的融合，都有着重要研究意义，是智能无线输能领域的新范式。

4.3 RIS辅助SWIPT

Huang等对动态超表面天线辅助的SWIPT下行系统中的功率收集要求和速率最大化问题进行了深入的理论研究，有望用于MIMO系统。

Yaswanth等提出了同时传输和反射（STAR−RIS）的新概念，将重点放在发射功率最小化问题上，以实现绿色通信。如图25所示，Zheng等提出了RIS辅助的SWIPT和无线计算联合学习系统，以较小的发射功率实现多设备、多用户的稳定无线通信与功率传输，是未来RIS辅助的SWIPT系统的重要研究方向。

图25 RIS辅助的SWIPT和无线计算联合学习系统

5、结论

无线输能超表面发展迅速，促进了无线充电技术的发展，使庞大的物联网系统中众多用电设备摆脱供电线缆的束缚不再是畅想。超表面以其紧凑高效的特性和强大的电磁波调控能力，势必会在无线输能技术中得到更深入的研究与应用。无线通信技术的融合，开启了信息与电力同步传输的新范式，在智慧城市、智慧农业和可穿戴设备等领域显示出了强大的潜力。

对于无线输能超表面的未来发展，可以结合以下几个方面考虑：

（1）将工作在能量传输路径中的超表面调整到与发射端或接收端集成，减小系统体积并提高灵活度；

（2）进一步抑制能量波束损耗，并尽可能降低障碍物对能量波束的干扰，提高传输效率；

（3）开发超低功率能量收集超表面，使利用环境射频能量为无线设备进行永久可持续供电成为现实；

（4）将可重构智能超表面与同步无线信息与电力传输技术深度融合，权衡信息速率与能量功率的比例，为无线输能技术赋予更强的操作性、更高的灵活性和更广泛的应用场景。

本文作者：司黎明、马天宇、党晨阳、刘博洋、孙厚军、吕昕

作者简介：司黎明，北京理工大学集成电路与电子学院、毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室、临近空间环境特性及效应全国重点实验室，教授，研究方向为电磁场与微波技术。

课题组简介：司黎明教授课题组隶属于临近空间环境特性与效应全国重点实验室、毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室。专注于智能电磁领域的前沿基础理论与技术创新，推动电磁波控制技术在通信、雷达、传感、能源等领域应用。聚焦电磁感知与智能调控理论与技术，涵盖人工智能、电磁场理论、超材料、天线、太赫兹及雷达仿真等多学科交叉研究。开发智能电磁控制系统，实时控制电磁波的收发参数以适应临近空间环境变化，提高感知与探测效率。课题组汇聚国内外顶尖科研人才，构建高水平跨学科创新团队，推行“全教学全科研”的人才培养模式，培育具备“延安根、军工魂、领军人”特质的领军领导人才，并积极推动科研成果产业化，服务国家战略与社会发展需求。

文章来源：司黎明, 马天宇, 党晨阳, 等. 无线输能超表面技术研究进展[J]. 科技导报, 2025, 43(18): 23−40.

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