2026面向6G的全息超表面通信技术报告

6G 全息超表面通信技术白皮书总结

技术背景

• 移动通信系统发展趋势：从 MIMO 到 L-MIMO 再到 XL-MIMO，天线技术升级和阵列规模扩展是支撑无线传输能力提升的重要基础。6G 时代，超维度天线为多天线技术从规模扩展走向多维能力协同提供系统化框架。
• 传统 MIMO 技术发展瓶颈：硬件功耗与成本随天线单元数量线性增长，馈电网络复杂度限制阵列规模扩展，难以满足 6G 对高能效传输、低成本部署和通信感知一体化的需求。
• 全息超表面技术：通过集成全息超表面或紧密排布的连续孔径天线阵列，实现对电磁波空间特性的精细波前调控，具有低功耗、低成本、高集成度和灵活可重构等特点，有望成为支撑 6G 沉浸式全息移动通信的物理层重要使能技术。

全息超表面技术原理

• 全息超表面的基本原理与结构组成：利用全息干涉原理，通过精确控制表面上每个亚波长辐射单元的幅相响应，在阵面上重构出特定的全息干涉图样，从而在空间中激发出预期的辐射场。主要由集成馈源、导波结构以及亚波长超材料单元阵列组成。
• 全息图样构造与波束赋形实现机制：将所需的定向波束视为“目标像”，由馈源注入超表面的导行波充当“参考光”，通过重构全息干涉图样，在空间中激发出预期的辐射场。

全息超表面通信技术创新与突破

• 全息波束赋形传输技术：
  • 波束赋形技术难点分析与研究进展：传统波束赋形技术存在单一波束、混合波束和数字波束的局限性。全息波束赋形技术通过串行馈电架构，支持混合波束赋形，降低硬件成本和功耗。
  • 全息波束赋形关键技术：
    • 串行传输方案设计：电磁波沿超表面传播并依次激励各辐射单元，通过调节各单元的幅度响应来重构全息干涉图样，生成定向波束。
    • 等效孔径可重构全息波束赋形：通过调整等效孔径的位置，可以改变波束的形状和方向。
    • 多波束全息图样线性叠加：将多个单波束全息模式线性叠加，生成多波束全息模式，降低计算复杂度。
    • 宽带全息码本设计与波束训练：利用宽带全息码本和波束训练过程，有效控制训练开销，提升通信速率。
    • 互耦效应下的全息波束赋形：采用耦合偶极子近似模型，将非线性的波束赋形矩阵近似转化为线性函数，便于求解。
    • 动态场景下的全息超表面波束追踪：利用信道地图先验信息，实现波束快速追踪和对准。
• 全息超表面天线设计：
  • 全息超表面天线单元设计：通过在谐振结构上加载 PIN 二极管动态元件，调节辐射功率，适应定向传输的需求和应用。
  • 全息超表面天线阵列设计：包含全息超表面单元、功分器及馈入结构、调控网络及控制电路，实现精准波束调控。
• 全息超表面天线系统样机：
  • 样机组成：由基带模块与基于全息超表面天线阵列的有源天线单元构成，支持多流数据传输，可服务多部终端。
  • 系统测试：
    • 单用户波束追踪测试：全息超表面阵列与传统相控阵具有相同的波束跟踪能力，可完成微秒级波束切换。
    • 两用户传输测试：在视距和非视距场景下，系统均能实现 2Gbps 以上的下行传输速率。

应用场景

• 基于大规模全息超表面的无线通信基站：为基站超大规模天线阵列提供了一种低功耗、低成本、高集成度的新型实现路径，适合用于 6G 热点覆盖、室内外高容量接入以及多用户并发传输等典型基站场景。
• 全息通感一体化：利用全息超表面的灵活波束调控能力，在同一时频资源上同时传输通信数据和执行感知任务，实现通信与感知的双赢。
• 基于大规模全息超表面天线的低轨卫星地面终端：凭借低功耗、低剖面、轻量化和无机械运动部件等优势，为平板卫星终端天线提供了有效解决方案。
• 全息超表面天线赋能的无人机低空经济：支持毫秒级电子扫描与多波束并行生成，既可建立高容量通信链路，又可通过回波信号处理实现环境感知与目标识别。

总结与展望

• 大规模应用面临的技术挑战：辐射效率、结构集成与稳定性、全息波束赋形传输技术等方面仍需持续优化。
• 技术演进路线：围绕辐射效率、结构集成与稳定性、全息波束赋形传输技术等方向协同推进，逐步从器件级优化走向阵列级扩展、系统级验证和网络级应用。
• 未来展望：全息超表面技术将不仅局限于通信功能的增强，其大孔径特性与灵活的波束操控能力，天然适用于通信感知一体化场景，可同时实现高速数据传输与高分辨率环境感知。全息超表面技术正站在从理论突破走向规模应用的关键节点，有望重塑 6G 无线接口的基本形态，为构建沉浸式全息移动通信网络、实现物理与数字世界的无缝融合奠定坚实的技术基石。