信息超材料为6G做前瞻铺垫

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，实现了“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兴趣，其研究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。今年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，吸引了国内外80多家单位参与，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。

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，不能按照意愿实时控制电磁波，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。

“我们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。”崔铁军说。

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 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做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。

一种颠覆性技术的引入，往往是由于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，但要又保暖又轻便，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。

从3G开始，无线通信技术为了实现更大的信号传输吞吐量，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。

崔铁军认为，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。

未来应用要分三步走

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。袁弋非说，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的，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。（记者刘晶）

来源： 中国电子报

人类感官的延伸，仪器类专业简介：课程、大学、发展方向和就业

我认为，人对世界的理解的基础是对世界的感知，一个人感官越灵敏，智商可能会越高。仪器是我们人类感官的延伸，是科技发展的基础。比如，基本物理量，时间、长度等的测量，就是科学界，甚至整个人类社会都极为重要的事情。因此，仪器类专业也是非常重要的一个专业。

人的感知是一个多器官参与的复杂过程。比如看东西，需要眼睛，这个感觉器官接收外界的光信号，并通过眼球，把光信号转换为电信号。电信号通过视神经传送到大脑的某些区域，进行信号解析，还原成我们看到的图像。

仪器仪表的工作跟人的感知类似，通过传感器获取信息，转换成电信号，再用各种电路来处理。这是一个交叉学科，需要机械、电子电路、光学、计算机、控制等各个学科方面的知识。

测控技术与仪器

测控技术与仪器，从字面上咱们就可以看出来有3个方面：测量、控制、仪器。

测量的课程一般是理论和工具，那就是一些物理，主要是力学和光学，还有化学和生物等知识。主要的技术就是传感器技术。

控制则涉及电路、控制、计算机、信息处理等相关知识。

仪器就是要做出仪器出来，刚才所说的测量和控制都需要，还需要学机械相关的内容。具体的仪器也分很多种，最传统的电测仪表、自动化仪表，精密的光学仪器，以及智能仪器等等。

在本科专业目录里，测控技术与仪器属于仪器类专业。仪器类专业有3个专业，除了测控，还有精密仪器、智能感知工程。

清华的名称很有意思，系名叫：精密仪器系，本科专业名称是：测控技术与仪器专业。清华的精密仪器系包括了两个专业：测控和光学工程。天津大学的设置跟清华也差不多，学院名叫：精密仪器与光电子工程学院，专业是测控技术与仪器。

本学科的课程内容比较多，比较杂，我以清华大学的培养方案为例，主要的课程有：

机械类课程 ：机械设计基础、制造工程基础

电子类课程 ：电工技术与电子技术

光学类课程 ：光学工程基础

测试类课程 ：测试与检测技术基础

控制类课程 ：控制工程基础

仪器科学与技术方向 ：仪器设计技术基础，精密仪器设计，微机电系统设计，微纳米测量与测试技术，计算机控制技术

光学工程方向 ：光学工程基础(2)，光电检测技术，光电仪器设计，光电子技术，光纤技术，纳米光学

另外，还有数学、物理、力学、化学与生物、计算机等基础课程。

我这里把光学工程的课程也列了一下，让大家感受一下，这两个专业有什么区别。其实区别不是很大。

很多学生在填报志愿或者专业分流的时候会纠结，究竟选哪个，看了这个就一目了然。而且，大家也会明白，即便是被分流或者调剂，其实这两个专业区别不是很大，要跨考研究生也很容易。

从这个专业的情况来看，由于内容偏多，所以读研也是必须的。

我们国家的专业分得很细，在国外没有这个专业，因为每个专业都需要一些测量。

精密仪器、智能感知工程

大部分的学校只有测控技术与仪器，不过大家都在开设新的专业，智能感知工程。智能感知工程是2020年新开设的专业，从天津大学、哈工大，到211、双非大学，都在开设这个专业。

精密仪器这个专业开设的学校不多，哈工大开设了这个专业，是哈工大的王牌专业。根据哈工大的培养方案，精密仪器主要强调的是仪器，测控技术与仪器强调的是智能制造和工业互联网。智能感知更是强调智能、物联网等信息技术。

学校介绍

仪器类学校的评估结果见下图。仪器科学与技术是研究生专业目录中的一级学科名称，跟本科生专业目录的名称不一样。

A+：清华、北航

A：天津大学

A-：哈工大、上交大、东南大学、重庆大学

B+的大学里面，中北大学最突出，因为是唯一一所双非大学，合肥工大也很厉害，一所211大学。在B里面，有沈阳工业、长春理工大学、中国计量大学；B-里面，有哈尔滨理工大学、西安理工大学、燕山大学、桂林电子科技大学等双非大学。

仪器类学科跟材料类学科一样，看着名字都一样，但方向相差很大。主要的方向是：测试计量技术和仪器，检测技术和自动化仪表装置，工业自动控制及过程控制。

像中国计量大学，是中国计量总局创建的，王牌就是各种计量测试技术，包括热工计量测试、几何量计量测试、力学计量测试等。

清华最强的是精密仪器，有个国家重点实验室。北航的仪器跟航空航天有关系，惯性导航、姿态测量，有个惯性技术国家重点实验室，还有一个新型惯性仪表与导航系统技术国防重点实验室。

天大的光学非常强，所以天大的光学仪器很强。哈工大强的是超精密仪器。上交大强的是智能诊疗仪器，另外跟国防相关的测控技术。东南大学强的微惯性仪表及微系统技术。重庆大学强的是工业无损检测技术。

中北大学是兵工七子之一，主要是造武器的，仪器科学类是它最王牌的专业。很多跟国防、航空航天相关的学校的测控、精密仪器都非常好。还有长春理工大学，也是兵工七子之一，最强的是光学方面的仪器。

合肥工大也是很不错的学校，很早就有了仪器类专业，并且在1978年，首批获得了硕士授权点。

另外，大家可以看出来，测控科学与技术在不同的行业院校侧重点不一样，像航空航天类学校偏重导航等，像西南石油大学等研究的是石油产业相关的各种测试和计量，电力类学校则主要是电力系统或者电厂等方向的测量。

就业

首先，很多人会说，这个专业没前途，只能转行，转计算机、电子信息、自动化等行业。如果有心要转行的人，那一定要学好相关的专业课，计算机编程、电路设计或者机械设计等等。

如果不转行，有这么几个就业途径。

第一，计量检定单位，比如计量院、质监局等等。

第二，仪器仪表行业，这是最对口的行业。

第三，一些行业院校进入行业内工作。比如华北电力的测控专业毕业，可以去电网，或者中水电、中热电等大型国企工作。从某种意义上来说，除非是顶尖名校，很多行业院校的就业好于普通的大学。

总之，这个专业一定要学好信息技术相关的课程，因为本身行业也在往智能化、物联网上发展，其次，也是为转行做必要的准备。

从发展前景来说，智能感知工程、高精密仪器、测量都是极为重要的，因此前途是光明的。

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