文章 | Tian HW, Song C, Wang DJ et al. Ambient-energy-driven space-time-coding metasurface for space-frequency-division multiplexing wireless

communi cati ons. Opto-Electron A dv 9, 250229 (2026).

第一作者：田翰闱

通信作者：崔铁军，蒋卫祥

研究背景

可 编 程 超 表 面 (Programmable Metasurface, PM) ， 又 称 可 重 构 智 能 表 面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)， 由于能够自由 、 灵活地调控电磁波， 并具有低成本 、低复杂度和高集成度等优点， 已被视为未来无线通信的一种关键使能技术。 目前可编程超表面在通信领域发展迅速 ，可主要分为两类： (1)无源中继表面 ，通过空间波束成形优化信道质量； (2)简化架构通信系统 ，直接在电磁波上调制信息并实现定向传输。

在信息传输方面，近期已有相关研究基于可编程超表面实现了各种多路复用无线通信，包括频率复用、空间复用、空间-频率复用、空间-频率-极化复用等，这些进展进一步凸显了可编程超表面在增强通信容量和多用户接入方面的潜力。尽管如此，当前可编程超表面在复用通信方面的潜能仍有待开发。具体而言，开发一种能够高效调控有限电磁维度来扩展信息传输通道数量的多路复用通信策略对于进一步提高系统通信容量和多用户接入能力至关重要。

在能源供给方面，当前大多数可编程超表面高度依赖外置电源供电，这种供电模式不仅增加了可编程超表面的成本、体积与复杂度，更严重制约了其大规模部署与应用场景拓展。尽管最近一些通过自主收集环境能量(例如射频能/太阳能/机械能)来实现自供电的可编程超表面被提出，但这些工作均通过外置能量收集装置(例如整流电路、大面积太阳能板、摩擦纳米发电机等)来为可编程超表面供电，导致剖面高、集成度低、大规模阵列实现难度大。此外，这些自供电可编程超表面同时调控电磁波和调制信息的潜力仍有待探索。

本文亮点

基于上述研究背景 ，东南大学蒋卫祥教授和崔铁军院士团队提出一种环境能量驱动时空编 码 超 表 面 (Ambient-Energy-Driven Space-Time-Coding Metasurface, ASTCM) ，通过将太阳能电池芯片高度集成到每个超表面单元上 ，能够动态、灵活调控反射电磁波的频谱分布和空间传播特性， 并通过共享同一物理孔径自主收集环境太阳能 ，如图1所示。该研究团队开发了一种创新的时空编码方法 ，使得ASTCM能够同时在多个谐波频率下实现独立的多波束赋形。通过利用这种多频多波束赋形能力并进一步调制每个波束的相位 ，可高效复用不同频率和空间资源 ，进而构建多个独立的信息传输通道 。 另一方面， ASTCM与太阳能电源管理电路(Solar Power Management Circuit, SPMC)集成 ，可有效存储和利用从环境中收集的太阳能 。此外 ，ASTCM及其后端控制电路均采用低功耗设计 ，进一步从降低功耗层面助力自供电性能提升。

图1环境能量驱动时空编码超表面示意图

作为实例验证 ，该研究团队基于ASTCM实现并验证了一套高能效、 自供电四通道无线通信系统原型 ，如图2所示 。该系统原型通过高效复用两个不同谐波频率和两个不同波束空间指向构建了四个独立的信息传输通道 ，每个通道均采用正交相移键控(Quaternary Phase Shift Keying, QPSK)调制 。经实验验证 ，该系统可同时 、独立 、实时地向四个用户终端传输四幅不同的图片信息 ，且每比特能耗仅为17.4 mW ，在能效方面优于已报道的其他超表面通信系统原型。另外 ，ASTCM在进行信息调制和定向传输的同时 ，还可以从环境中收集最高达12 mW/cm2 的太阳能 ，远高于自身功耗(仅0.66 mW/cm2)。经简单估算 ，在100 mW/cm2 的标准太阳光照强度下 ，ASTCM约1.3 h就能收集到足够的太阳能 ，从而确保其24 h不间断运行。

图2基于环境能量驱动时空编码超表面的高能效、自供电四通道无线通信系统原型

这种环境能量驱动时空编码超表面技术创新地在单一超表面物理平台上一体化实现了环境能量收集、电磁波调控与直接信息调制，为未来无线通信实现大容量传输、多用户接入、高能效和绿色可持续发展开辟了一条全新的路径。

该 工 作 以 “Ambient-energy-driven space-time-coding metasurface for space- frequency-division multiplexing wireless communications” 为 题 发 表 在 Opto - Electronic Advances 2026年第2期。

研究团队简介

东南大学崔铁军院士团队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，取得了一批创新性成果。研究团队在国际上首创了数字编码超材料和现场可编程超材料，创建了信息超材料新体系，2014年和2018年两次获国家自然科学二等奖，首届国际基础科学大会“前沿科学奖”，IEEE通信学会马可尼奖。蒋卫祥教授课题组是崔铁军院士团队的重要组成部分，课题组在信息超材料体系下开辟了光调控可编程超表面新分支，并长期致力于高性能透镜天线、新型电磁功能器件、光-声-电磁多物理场融合超材料研究。

东南大学崔铁军院士团队

东南大学蒋卫祥教授课题组

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