具有超表面的联合通信与感知系统中的耦合分离

为什么更智能的无线设备需要更安静的邻居

我们的手机、汽车和智能家居越来越依赖同时承担两项功能的天线：与其他设备通信并像雷达一样感知周围环境。将这些功能封装到同一个紧凑设备中会产生一个严重问题——发射端产生的强烈、非期望信号会淹没接收端试图接收的微弱回波。本文探讨了一种新方法，利用精心设计的“超表面”来抑制这种自生噪声，从而让联合通信与感知系统能够更清晰、更可靠地工作。

同时发言与倾听的挑战

联合通信与感知（JCAS）系统旨在将高速数据链路与类雷达的感知能力整合到同一套共享天线中。这一愿景对自动驾驶、智慧基础设施和室内监测等应用很有吸引力，因为这些场景通常空间和成本受限。但当发射天线和接收天线紧密放置时，例如在紧凑的多天线（MIMO）阵列中，强大的发射信号会直接泄漏到接收端。自干扰不仅降低数据质量，还会扭曲感知所依赖的微弱反射。基于软件的消除方法可以提供帮助，但在宽频带上这些方法会变得计算复杂，并且可能无意中扭曲有用信号。

驯服杂散波的图案化表面

为从根本上解决问题，作者设计了一种特殊的超表面，用以重塑发射阵列与接收阵列之间电磁能量的流动。该表面的构建单元是改进型分裂环谐振器（MSRR）——带有间隙的微小金属回路，它们在选定的微波频率下自然谐振。当波作用于这些环时，会在间隙处产生环流电流和强烈的电场，从而重新分布附近天线结构上的表面电流。通过精细调节环的尺寸、间隙位置和间距，超表面抑制了通过大多数非期望能量泄漏的表面波和近场“通道”，同时在很大程度上保持了朝向环境的主要辐射。

将智能硬件与智能波束赋形结合

这项工作并不止于物理结构。团队还将超表面与一种进一步减少干扰的波束赋形策略配合使用。在他们的 JCAS 布局中，两根天线发射、两根接收，在相同的 9–10 GHz 频段持续工作。数字算法塑形发射波束，使其既承载数据又扫描场景，同时将发射方向的某些部分投影到能自然抵消剩余泄漏的方向——这被称为零空间投影。系统并非事后尝试去除干扰，而是协同设计，使硬件削弱耦合通道，波束赋形在仍可能出现泄漏的方向上形成深“空洞”。

将该设计付诸测试

作为概念验证，作者在常见电路板上构建了一个 2 × 2 补片天线阵列，并在其正上方安装了一层 2 × 3 的 MSRR 超表面。研究者测量了从发射端口到接收端口的泄漏功率随频率和角度的变化，并比较了有无超表面以及不同波束赋形设置的情况。单独的超表面在整个频带上持续将耦合降低了数分贝到十多分贝不等，在某些谐振频率附近出现了特别深的凹陷。当与定制的波束赋形结合使用时，有效泄漏进一步下降，在某些条件下超过二十分贝，结果的信号对干扰加噪声比在广泛的感知方向上提升了约 10–14 分贝。重要的是，附加的这一层并未破坏天线的基本辐射图或分集性能。

这对未来智能无线系统意味着什么

简言之，研究表明一层薄而精心图案化的表面可以作为紧凑无线电内部的降噪屏障，使必须同时发射与接收的设备更安静。通过在厘米尺度上引导电流和电磁波，超表面使发射端更难压倒接收端，而协同的波束赋形算法利用这一改进的通道进一步挤压干扰。尽管演示针对的是特定的微波频段，但相同的设计原则可以重新调谐以适用于其他频段，包括未来车辆和建筑中的毫米波系统。这种硬件与算法的协作为在日常环境中无缝融合通信与感知、提高可靠性与抗干扰性提供了实用路径。

引用: Zhang, Z., Zhang, Z., Ren, Z. et al. Decoupling in a joint communication and sensing system with metasurface. Sci Rep 16, 14526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44469-6

关键词: 联合通信与感知, 超表面, MIMO 天线, 自干扰抑制, 无线感知