智能天线（Smart Antenna）因其突出的通信与感知一体化潜能而备受关注，但其应用依然面临控制复杂、成本高等一系列挑战。物联网（IoT）和人工智能（AI）的发展推动了跨学科的新应用，也催生了一系列小型化高灵活度的可感知设备。因此，能够在复杂无线信道中高效执行收发任务的智能天线，将在未来通信、传感等领域发挥重要作用。

 

目前智能天线领域发展迅速，主要包括以下三类：（1）波束赋形天线，通过动态调整天线辐射方向聚焦信号，以优化信号覆盖范围和质量，但对硬件和信号处理要求复杂，系统成本较高，对动态环境的适应性也存在不足。（2）自适应天线，实时调整天线参数以提高信号质量和对抗信号干扰，但硬件和算法复杂，需要大量的计算资源。（3）多功能超表面和可重构智能超表面，通过灵活调控单元相位、极化等来实现全空间功能定制，优化信道，提高信号覆盖和容量。

 

上述第三类智能天线近年来发展迅速，超表面和传感器的结合为实现智能电磁调控提供了高效方案。例如，结合计算机视觉（Computer Vision, CV）与超表面技术，通过相机采集数据，并结合算法发送指令或执行操作，可对超表面每个单元的电磁特性进行独立调控，实现高精度、灵活的实时波束赋形，完成用户跟踪等功能。由于制造复杂度和功耗等限制，大规模智能超表面系统目前仍存在一些技术挑战。

 

人工表面等离激元（Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP）是一种特殊的表面电磁波模式，具有高度的场局域特性和灵活可调的色散特性，可为下一代电路和系统发展提供优势方案，进而人们相继提出了基于人工表面等离激元的低串扰可共形传输线、有源和无源器件以及通信系统。人工表面等离激元器件具有小型化、可共形、低成本、易集成和灵活可调等优点，在未来无线通信中潜力巨大。其中，基于人工表面等离激元的漏波天线（Leaky-wave Antenna, LWA）设计灵活、频带宽、增益高，能实现大角度波束扫描。与超表面相比，可重构人工表面等离激元天线具有更少的有源元件和更低的设计复杂度，制造相对简单，功耗较低，因此特别适合开发新型智能天线，在频谱分析和宽频带通信中发挥重要作用。

 

基于上述研究背景，东南大学汤文轩教授和崔铁军院士团队提出了一种基于人工表面等离激元的外部可感知智能漏波天线，该方法结合了人工表面等离激元可重构漏波天线设计方法和计算机视觉技术的优势，通过检测外部目标的位置，实现自适应工作状态切换和自调节频扫波束的目标跟踪功能。图1展示了该智能人工表面等离激元漏波天线（SSPP-LWA）系统的工作原理。该智能天线系统将可重构SSPP-LWA与CV相结合的，实现无线信道在传输过程中的全局管理，并在动态环境中自动满足用户的需求。通过在SSPP传输线两侧的辐射贴片上添加PIN二极管，调节PIN二极管的偏置电压，实现对工作状态（如“辐射”状态和“非辐射”状态）在频带内的动态控制。在“辐射”状态下，可重构SSPP-LWA在8.5 GHz到13 GHz频段的波束扫描范围为-43°到5°。

 

 

图1 智能SSPP-LWA系统的工作原理图。

 

图2展示了智能SSPP-LWA系统运行流程：通过先进的CV技术获取用户相对于SSPP-LWA的位置信息，将位置信息发送给计算机，然后将指令反馈给现场可编程门阵列（FPGA）和信号发生器。在第一种功能设计中，利用摄像机检测指定范围内是否存在可疑目标，并据此控制漏波天线在“辐射”状态（无可疑目标）与“非辐射”状态（存在可疑目标）之间的自适应实时切换。在第二种功能设计中，SSPP-LWA根据目标用户位置方向确定波束指向所需的频率指令，从而实现波束跟踪。

 

 

图2 智能SSPP-LWA运行流程，包括四个主要部分：深度相机用于采集图像信息；通过基于YOLOv4-tiny预训练模块的控制系统，完成目标检测任务；采用FPGA和信号发生器分别控制馈电电压和输入频率信号，从而控制可重构SSPP-LWA；实现电磁波辐射与非辐射的自适应实时切换和自调节工作频率的波束跟踪。

 

图3（a-b）展示了智能SSPP-LWA系统的第一个应用场景。该系统由英特尔RealSense深度相机D435i，控制系统（计算机）和现场可编程门阵列（FPGA）组成。深度相机采集运动目标，控制系统反馈目标的位置，然后将相应的电压序列发送给FPGA。在测试场景中，使用模型汽车代替未知探测器或干扰机作为目标，相机能捕捉到目标移动区域，当汽车可疑目标进入/离开目标区域时，天线可以迅速地切换为“非辐射”/“辐射”状态，以避免我方信息被窃取或干扰，在一定程度上实现空域内无线通信的安全。图3（c）展示了智能SSPP-LWA系统的第二个应用场景，通过深度相机检测目标用户（target user）的位置，可以将对应目标方向波束的频率指令发送到信号发生器，从而实现系统的闭环运行。图3（d）所示为视觉辅助和在所有频率情况下功率接收情况，蓝色五星标志记录了频率改变引起对应波束方向改变时，系统依然稳定地保持了较高的接收功率，证明了用户跟踪的有效性。同时，在整个通信过程中没有额外的反馈过程和波束训练开销，系统根据波束扫描过程中检测到的目标信息调整工作频率的方案避免了频谱冲突，提高了频谱利用率，降低了开销。

 

 

图3（a）辐射切换测试场景。（b）可疑目标出现或可疑目标消失情况下两个测试场景的实时S参数测试结果（蓝色曲线为传输系数S21）。（c）波束跟踪测试场景。（d）目标用户在运动过程中不同频率下对应的接收功率。

 

通过结合视觉信息与智能超材料，这一系统显著增强了环境感知能力和自主决策能力。在所提智能SSPP-LWA系统基础上，未来可实现多维数字LWA，不同的辐射状态可以通过幅值、频率和极化编码矩阵来确定，数字基带信号可以在辐射波上直接调制，为智能无线通信提供技术途径。此外，基于计算机视觉的频扫天线通过实时分析环境图像，完成自适应切换工作状态和精准目标跟踪，这一方案不仅能够优化频谱利用率、减少干扰，还能提高系统的智能化程度和自动化水平，在无人机、自动驾驶、智能交通等领域展现出广泛的应用前景。

 

该工作以“An externally perceivable smart leaky-wave antenna based on spoof surface plasmon polaritons”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances 2024年第9期。

 

研究团队简介

 

 

崔铁军院士带领的东南大学电磁超材料团队

 

论文作者均来自于崔铁军院士带领的东南大学“电磁超材料与智能计算”团队。该团队以促进学科发展和服务国家需求为导向，在电磁超材料和复杂目标及复杂环境电磁散射特性建模方面进行了系统而深入的研究。在国际上首创了信息超材料新体系，提出了基于时空编码信息超材料的电磁波和数字信息协同调控、低成本相控技术等原创思想。团队的创新研究成果解决了新一代信息传输与新体制信息系统所面临的电磁波与数字信息难以融合的问题，在新体制通信、智能成像与感知等领域产生一批原创的颠覆性技术，在国内外产生了重要影响。2014年和2018年两次获国家自然科学二等奖，2023年获得“全国创新争先奖”和“国际基础科学大会前沿科学奖”，2024年获得陈嘉庚信息科学奖和IEEE通信学会马可尼奖。

 

相关论文

 

Li WH, Chen J, Gao SZ et al. An externally perceivable smart leaky-wave antenna based on spoof surface plasmon polaritons. Opto-Electron Adv 7, 240040 (2024).

 

DOI: 10.29026/oea.2024.240040