超表面+無線輸能，解鎖移動設備能源新范式

原文發表于《科技導報》2025 年第18 期 《 無線輸能超表面技術研究進展 》

隨著無線通信與人工智能技術的發展，小型移動設備的數量正在急劇增加，傳統有線電力供應模式已不能滿足人們對便攜性和移動性的需求。射頻與微波無線輸能技術能夠擺脫有線能源的限制，在無線設備中具有巨大的應用潛力。本文綜述了超表面技術的關鍵熱點，介紹了無線輸能融合無線通信、無線傳感、可重構智能超表面和目標識別與定位等技術的研究進展。

21世紀以來，無線通信與人工智能技術得到了廣泛的發展，進而使得物聯網（IoT）得到了暴發式增長。當前，無線傳感器網絡和智能移動終端等IoT設備的運行，無法離開供電線纜或化學電池提供能量。但是，供電線纜、化學電池的使用，為設備使用場景帶來了巨大的限制和嚴重的環境污染。無線輸能技術可以擺脫線纜或電池的限制，從而實現設備與電源的分離，因此得到了廣泛關注和快速發展。

超表面是一種由亞波長結構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的關鍵熱點，主要包括無線輸能融合無線通信、無線傳感、可重構智能超表面和目標識別與定位等技術的最新進展，如圖1所示。無線輸能超表面技術的主要目標在于減少能量損耗，提高傳輸效率。

圖1 無線輸能超表面技術

1 無線電力傳輸超表面

與有線供電技術相比，無線電力傳輸可以使設備擺脫線纜的限制，降低布置要求與維護成本。然而，由于無線信道的缺陷，如路徑損耗、陰影和多徑衰落，特別是當能量發射器到接收器的距離較長時，射頻無線電力傳輸通常以較低的能量效率運行。超表面強大的電磁波束調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

利用超表面強大的相位與振幅調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能量傳輸系數的有效手段，同時能夠在不降低接收效率的前提下縮小接收端口徑，實現系統的小型化。Yu等提出了一種量化相位梯度近場聚焦超表面來提高電力傳輸系數，卻沒有解決在遠場如何保持焦點的問題，這使得無線輸能系統的工作距離受到極大限制。Falchi等提供了遠距離低頻磁場聚焦的思路，這項研究對提高無線電力傳輸工作距離有著指導作用。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換為表面波，再由專門的表面波能量匯聚陣列進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

無衍射波束的強度在一定范圍內隨著傳播距離的增加不會發散，在傳播過程中的形狀和尺度的變化可以人為控制。Dong等在反射型光學透明超表面中應用幾何光學方法確定相位分布，從而產生了高效的零階貝塞爾波束，如圖3所示，有望集成到太陽能收集系統中進行高效微波功率傳輸。

圖3 用于產生零階貝塞爾波束的反射型光學透明超表面

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

圖4 產生任意圓極化貝塞爾波束的全息張量超表面

Xiao等通過推導準非衍射波束產生不同光斑大小的幾何相位計算表達式，實現對波束光斑大小的調節，如圖5所示。

圖5 用于準非衍射波束光斑尺寸調節和微波功率傳輸的超表面

Azarbahram等利用動態超表面天線對能量波束生成進行優化，用于最大限度降低發射功率，并滿足多設備的能量收集需求。

1.3 耦合諧振增強超表面

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的效率，如圖6所示。Dellabate等利用共形超表面屏蔽外界磁場以提高無線電力傳輸系統效率。Wu等將超表面應用于移動無線電力傳輸系統中極化失配導致的效率下降問題。

圖6 用于磁諧振無線電力傳輸系統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的發射機嵌入式超表面，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提高耦合系數和能量傳輸效率。Rashid等提出了一種用于移動機器人無線充電的低邊緣場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引入氣隙來實現電容耦合器，從而降低邊緣電場。

圖7 發射機嵌入式超表面結構及有無超表面時的磁場強度對比

圖8 基于超表面進行無線充電的移動機器人應用場景

2 無線能量收集超表面

能量收集超表面以其優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中的接收端。能量收集超表面通常用于捕獲特定發射機發射的射頻能量，器件在較高的入射功率下可以高效運行。

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等創新性地提出簡化整流電路的方法，如圖9所示。可穩定收集射頻能量，但同時也有一系列缺點，例如結構復雜、能量損耗大、非線性元件會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

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，省去功率合成網絡和整流電路。Wang等設計了由指狀組合型結構和方形環結構組成的整流超表面，如圖10所示。該結構可以采集覆蓋2.4 GHz無線局域網頻段的射頻能量，且具有極化不敏感的特點。Yu等利用2個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。實驗表明該結構在工作頻帶內的能量采集效率始終高于45%，在5 GHz處的峰值效率可達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，大大擴展了其應用場景。Lu等則將柔性可共形抗疲勞整流超表面系統（RMS）貼合在機翼背面，如圖12所示，既能解決雷達散射和電磁干擾的問題，又能進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輔助無線通信與互聯網的應用場景

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，有望用于慢時變特性輻射源的極化檢測和極化跟蹤。

圖13 具有極化檢測功能的極化敏感能量收集超表面

如圖14所示，Kumar等利用注意力神經網絡（SANN）在12.5 GHz頻段貼片天線的上層設計超表面，以實現波束轉向能力和射頻能量收集功能。

圖14 利用深度學習設計兼具波束轉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節離子液滴高度進行頻率調諧的多功能能量收集超表面，如圖15所示，可以同時實現不同吸收帶寬的切換以及能量的收集和轉換功能。

圖15 利用離子液滴振動調節高度的可調頻多功能復合超表面

3 同步無線信息與電力傳輸超表面

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

3.1 功率分配理論

SWIPT系統理想的接收機可以使相同的信號同時傳輸到能量接收器與信號解碼器，但目前還沒有實用電路可以實現這種操作。Yu等利用上述功率分集方案進行SWIPT系統的設計，實現了直流射頻信號與信息在空間域上的分離，而不需要設計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

為了獲得速率與能量之間的最佳折衷，調制形式根據目標傳輸速率的變化而實時變化是最有效的方式，使未來功率分集SWIPT技術更加可靠和成熟。

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的多目標極化分集SWIPT方案，設計出了能夠獨立調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，可以應用于多目標SWIPT場景。

圖17 基于各向異性超表面場的多目標SWIPT系統

完整系統的設計可以有效提高超表面工作時的抗干擾能力和能量與信息傳輸效率，如圖18所示。該系統有著集成無線傳感器網絡、通信模塊和人工智能算法，但是全息張量超表面的不可調諧使得2種不同極化波的功率比例被固定而無法實時調節，限制了系統的應用場景，搭建可調諧的SWIPT系統將成為未來的發展趨勢。

圖18 全息張量超表面結合極化分集接收超表面形成的SWIPT系統

3.3 頻率分集方案

全息成像與SWIPT都是多頻超表面的熱點應用，Zhang等實現全空間復振幅超表面，可以在2個不同頻率處產生2個不同的高質量全息圖像。Kudaibergenova等利用緊湊超材料組成了雙頻工作的SWIPT系統，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

4 可重構無線輸能超表面

可重構智能超表面（RIS）實現對入射電磁波不同的響應，賦予了超表面高度的靈活性，被認為是第六代移動通信（6G）中的關鍵技術之一。

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現多功能。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現不同方向的動態調節，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，有望解決盲區覆蓋等問題，具有良好的商業價值。

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中，如圖22所示，可以將發射端產生的磁場實時聚焦到接收端，這使移動目標始終能接收到較高的能量密度，進行穩定的無線充電。

圖22 超表面輔助小型移動設備的遠程無線充電

Li等提出了一個完整的亞波長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點，具有完整的工作流程和極高的可行性，適用于動態多目標的無線充電和信息傳輸，有望推動超表面無線傳輸路由器的商業化。

圖23 完整的亞波長尺寸無線電力傳輸無線充電系統

如圖24所示，Xia等利用雙頻超表面結合時空編碼和卷積神經網絡提出了一種自適應無線供電網絡，將推動IoT、智能超表面和機器人產業的發展。

圖24 自適應無線供電網絡

基于RIS的無線自適應充電系統，除了受限的充電距離外，當進行多運動目標同時無線充電時，如何提供實時反饋和有效的能量分配將面臨重大挑戰。盡管如此，RIS與無線輸能技術的融合，都有著重要研究意義，是智能無線輸能領域的新范式。

4.3 RIS輔助SWIPT

Huang等對動態超表面天線輔助的SWIPT下行系統中的功率收集要求和速率最大化問題進行了深入的理論研究，有望用于MIMO系統。

Yaswanth等提出了同時傳輸和反射（STAR?RIS）的新概念，將重點放在發射功率最小化問題上，以實現綠色通信。如圖25所示，Zheng等提出了RIS輔助的SWIPT和無線計算聯合學習系統，以較小的發射功率實現多設備、多用戶的穩定無線通信與功率傳輸，是未來RIS輔助的SWIPT系統的重要研究方向。

圖25 RIS輔助的SWIPT和無線計算聯合學習系統

5 結論

無線輸能超表面發展迅速，促進了無線充電技術的發展，使龐大的物聯網系統中眾多用電設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大的電磁波調控能力，勢必會在無線輸能技術中得到更深入的研究與應用。無線通信技術的融合，開啟了信息與電力同步傳輸的新范式，在智慧城市、智慧農業和可穿戴設備等領域顯示出了強大的潛力。

對于無線輸能超表面的未來發展，可以結合以下幾個方面考慮：

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

（2）進一步抑制能量波束損耗，并盡可能降低障礙物對能量波束的干擾，提高傳輸效率；

（3）開發超低功率能量收集超表面，使利用環境射頻能量為無線設備進行永久可持續供電成為現實；

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

本文作者：司黎明、馬天宇、黨晨陽、劉博洋、孫厚軍、呂昕

作者簡介：司黎明，北京理工大學集成電路與電子學院、毫米波與太赫茲技術北京市重點實驗室、臨近空間環境特性及效應全國重點實驗室，教授，研究方向為電磁場與微波技術。

課題組簡介：司黎明教授課題組隸屬于臨近空間環境特性與效應全國重點實驗室、毫米波與太赫茲技術北京市重點實驗室。專注于智能電磁領域的前沿基礎理論與技術創新，推動電磁波控制技術在通信、雷達、傳感、能源等領域應用。聚焦電磁感知與智能調控理論與技術，涵蓋人工智能、電磁場理論、超材料、天線、太赫茲及雷達仿真等多學科交叉研究。開發智能電磁控制系統，實時控制電磁波的收發參數以適應臨近空間環境變化，提高感知與探測效率。課題組匯聚國內外頂尖科研人才，構建高水平跨學科創新團隊，推行“全教學全科研”的人才培養模式，培育具備“延安根、軍工魂、領軍人”特質的領軍領導人才，并積極推動科研成果產業化，服務國家戰略與社會發展需求。

文章來 源 ： 司黎明, 馬天宇, 黨晨陽, 等. 無線輸能超表面技術研究進展[J]. 科技導報, 2025, 43(18): 23?40 .

本文轉載自《科技導報》微信公眾號

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