通过时空编码超表面操控涡旋电磁波实现高维多路复用

为什么多条数据流需要新的高速通道

我们的手机、家庭和城市都在消耗越来越多的无线数据，但可用的频谱受限。本文探讨了一种巧妙的方法，通过让无线电波像微小龙卷风一样扭曲，并用超薄的电子表面来控制这些扭曲，从而在同一频谱片上塞入更多信息。其结果是一个紧凑的发射器，可同时发送多路独立数据流，指向未来更快、更高效的短距离链路。

把扭曲波当作额外的数据车道

光和无线电波不仅可以携带颜色（频率）和振动方向（偏振），还可以携带一种称为轨道角动量（OAM）的扭曲。具有OAM的波束具有螺旋形的波前和甜甜圈状的强度分布。不同的扭曲阶数就像独立且互不干扰的通道，理论上可以在相同视线方向上层叠使用。然而直到现在，用于产生此类涡旋波束的器件大多是静态且体积庞大，而且每增加一个扭曲通道通常需要专门的射频硬件，使实际系统复杂且耗电。

一种能随时间重塑波形的纸张薄表面

作者提出了一种称为双偏振异步时空编码超表面（DASM）的器件。它看起来像一块平坦的、有图案的面板，由12×12阵列的微小金属单元构成，每个单元都比所控制的毫米波波长更小。每个单元中有两个微小二极管，使控制电路能够对水平方向和垂直方向的偏振行为在时间上实现快速切换。通过用各自的数字闪烁模式驱动每个单元，面板可以在其表面上以及随时间几乎连续地塑造发射波的幅度和相位，同时还将部分能量推送到略微偏移的频率上。

混合扭曲、频率与偏振

借助这种精细控制，超表面能够产生具有多种扭曲的涡旋波束，甚至可以在同一波束中组合若干扭曲阶数，同时仍能区分每个通道的信息。研究团队演示了±1和±2的扭曲阶数，既可单独使用，也可同时使用。他们还利用面板分别处理水平和垂直偏振的能力，并将面板区域划分为遵循不同时间模式的部分，这些时间模式将发射波移到两个相近但不同的频率上。实际上，同一块平面变成了一个三维的交换台，能够基于扭曲、偏振和频率独立寻址各通道。

更简化的发射端，更多的通道

传统使用涡旋波束的系统通常为每个OAM通道配备独立的高速射频链路，包括混频器、振荡器和变换器。在这种新设计中，单一的连续波源驱动超表面，数据直接通过数字控制信号写入波前。研究者将此与传统方法进行比较，表明他们的方法能大幅减少硬件复杂度和功耗。在接收端，经过特殊设计的透镜可撤销选定的扭曲阶数，使其能量聚焦到一个点上，标准天线即可在该点读取数据并忽略其他扭曲通道。

一次传输八幅图像且具扩展空间

为验证这一想法，作者构建了一个在约26.8 GHz的完整短距离链路。他们用常见数字调制（QPSK）对图像进行编码，并通过不同的扭曲方向、偏振和频率组合发送。在一组测试中，两种相反的扭曲阶数分别承载两幅不同图像，互相混叠很小。在另一组测试中，同一扭曲波束的两种正交偏振各自传输独立图像。第三组测试在相同扭曲阶数上使用了相近的两个频率。最后，通过组合两个扭曲、两种偏振和两个频率，他们构造了一个八通道的“信号立方体”。由于设备限制，他们一次运行四个通道，但表明全部八个通道几乎都能被完美恢复，每幅两百万比特的图像仅出现少量比特错误。

这对未来无线链路意味着什么

这项研究表明，一种薄型电子可控的表面可以将无线电波的若干物理属性编织在一起，从而在紧凑的封装中实现高维多路复用。尽管当前演示在适度距离内工作——非常适合芯片间链路、数据中心或室内连接——相同原理可以通过更大的面板和更多单元进行扩展。通过扩展可控的扭曲阶数、频率和区域数量，此类超表面有望成为灵活的软件定义前端，在不显著增加硬件复杂度的情况下，显著提升未来无线系统的容量。

引用: Yang, C., Wang, S.R., Du, J.C. et al. High-dimensional multiplexing through vortex electromagnetic wave manipulation by space-time-coding metasurfaces. Light Sci Appl 15, 160 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02232-6

关键词: 轨道角动量, 超表面通信, 高维多路复用, 毫米波链路, 时空编码