CN112038777A - 一种透明超表面构成的电磁空间调控系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，包括至少一个透明超表面、至少一个驱动及控制模组和自适应调控处理器：其透明超表面为多个超构材料单元周期性或者非周期性排列形成，所述超构材料单元至少由上层透明薄膜功能层、透明基板及下层透明薄膜功能层单层或多层复合构成可透光的结构；驱动及控制模组对电调控元件进行驱动和控制，实现透明超表面对电磁波幅度、相位、频率、极化等参数进行调控的功能；自适应调控处理器实现自适应调控的策略和方法、以及协同处理、甚至对策略和方法进行训练和优化。本发明提出的基于透明超表面构成的电磁空间调控系统，可实现室内覆盖优化、以及室外无线传输优化的应用。

Description

一种透明超表面构成的电磁空间调控系统及其应用

技术领域

本发明涉及新型人工电磁材料表面技术领域，尤其是一种透明超表面构成的电磁空间调控系统以及该技术应用。

背景技术

超构材料是指具有亚波长尺度的单元按一定的宏观排列方式(周期性或非周期性)形成的人工复合结构。由于其基本单元和排列方式都可任意设计，因此能突破传统材料在原子或分子层面难以精确操控的限制，构造出传统材料与传统技术不能实现的超常规媒质参数，进而对电磁波进行高效灵活调控，实现一系列新奇的物理特性和应用。近二十年来，超构材料一直是物理和信息领域的国际前沿，以等效媒质理论为基础，在变换光学等方法指导下，新型电磁结构设计不断涌现，例如电磁隐身衣、隐身地毯、完美吸波体、电磁黑洞等，引起了世界各国科学家和政府组织的高度关注。

新型人工电磁表面，又名超表面，可通过设计其单元特性以及空间排布，控制电磁波的幅度、相位、极化、波束、轨道角动量等参数，实现电磁能量的偏折、聚焦、吸波等功能，可用于天线、成像等领域。信息超表面进一步使用信息论的方法在超表面单元与数字信息之间建立联系，用二进制数字0/1编码来表征超表面单元，并通过各种可调手段对电磁波各参数进行实时动态调控，用同一信息超表面实现不同的功能，如波束扫描、极化转换、幅度/相位调制等，在通信、雷达、隐身等领域具有广阔的应用前景。在第五代无线通信(5G)体系中，大规模多输入多输出(MIMO)天线与毫米波技术得到了广泛应用，对通信系统硬件架构中射频链路与天线提出了新的要求，在成本、性能、功耗、集成度等方面面临新的挑战。然而信息超表面因其成本低廉、易于集成、能耗低等特点，将为5G通信系统硬件设计带来新的思路。

5G以及下一代的无线通信领域一个重要的优势就是毫米波技术的应用，虽然毫米波带来了更宽的频谱利用带宽、更快的传输速率、更大的传输容量，但其穿透性比传统的Sub-6G频段的信号要差很多，限制了对于一些楼宇或者交通工具(如火车)的无线信号的覆盖与接入。信息超表面作为一种智能的电磁调控表面，例如东南大学崔铁军院士课题组在CN 110336575A 中提出的“一种应用于小区基站无线通信的信息超表面智能处理系统”，可以自适应地对空间电磁波进行二次调控，解决无线通信中多径衰落和路径损耗问题，改善通信质量，优化信道性能，降低硬件复杂度，实现低成本，低功耗、低辐射的智能无线通信环境。然而，目前的电磁调控表面研究多局限于以聚酰亚胺、聚四氟乙烯等刚性或者柔性介质材料，所设计的图案多采用金属贴片的方式刻蚀或者电镀在介质层上，再将这种结构覆盖在金属体上，以调控目标体的散射特性。而金属贴片/介质基材/金属层结构由于无法实现对可见光透明，在火车/ 客车/轮船等交通工具的车厢/座舱玻璃、车窗玻璃、建筑物的外墙玻璃/玻璃外立面等领域、实现无线信号调控的需求无法满足，尤其是传统的多谐振结构大多是利用多层堆叠技术来实现带宽的扩展，这样对于透明电磁调控表面而言，造价高、且制造困难，最大的缺点是透光性能会出现严重的恶化。

目前团队前期在CN106252897A和CN106356636A分别公开了透明电磁超表面的方案，实现了可见光透明、且具有优异的电磁波调控性能，主要是吸收或者分散反射回波，且均为无源、非可重构的，一旦设计完成，性能及调控能力已经固化，不能根据外界电磁环境和场景的变化进行自适应地调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，涉及的介质材料为透明基板(玻璃、PET等)，可用于火车/客车/轮船等交通工具的车厢/座舱玻璃、车窗玻璃、建筑物外窗玻璃/玻璃外立面等，可以对空间已有电磁信号进行调控和处理，目的在于用智能超表面来解决无线通信中覆盖和接入等问题，改善通信质量，优化信道性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，该电磁空间调控系统至少包括：透明超表面、驱动及控制模组、自适应调控处理器；所述透明超表面为对电磁波/电磁场具有透射功能的超构材料单元排列形成，或者所述透明超表面为对电磁波/电磁场具有反射功能的超构材料单元排列形成；所述驱动及控制模组与透明超表面连接，通过对超构材料单元的电调元件进行电流、或者电压、或者通/断的驱动和控制，实现透明超表面对电磁波/电磁场的调控；所述自适应调控处理器与驱动及控制模组连接，通过对驱动及控制模组控制以实现对超构材料单元状态自适应调控。

进一步的，所述驱动及控制模组通过线缆或者插接的方式与透明超表面连接，所述自适应调控处理器与驱动及控制模组通过线缆或者插接的方式连接。

进一步的，所述自适应调控处理器集成有感光传感器、感声传感器、温湿度传感器、陀螺仪中的一种或多种，通过传感器反馈的数据，为自适应调控处理器提供调控的环境和参考输入。

进一步的，所述对电磁波/电磁场具有透射功能的超构材料单元至少包括上层透明薄膜功能层、透明基板及下层透明薄膜功能层，所述上下两层透明薄膜功能层上设置有导电贴片，每层上的导电贴片通过电调元件连接，并且上层透明薄膜功能层和下层透明薄膜功能层的导电贴片电气连通。

进一步的，所述对电磁波/电磁场具有反射功能的超构材料单元至少包括上层透明薄膜功能层、透明基板及下层透明薄膜功能层；所述上层透明薄膜功能层上设置有导电贴片，并且导电贴片通过电调元件连接，下层透明薄膜功能层上设置有导电片构成的电磁参考地，并且上层透明薄膜功能层和下层透明薄膜功能层的导电贴片电气连通。

进一步的，所述超构材料单元的透明薄膜功能层与透明基板之间填充有可电调材料，并且可电调材料与所述超构材料单元的透明薄膜功能层与透明基板之间电气连接。

进一步的，所述电调元件为PIN二极管、变容二极管、FET管、MEMS器件、以及功率放大器或者低噪声放大器芯片的任一种。

进一步的，所述透明基板为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或多种。

进一步的，所述透明超表面上的超构材料单元排布为均匀间隔满阵列的方式排布或非均匀间隔稀布阵列的方式排布。

进一步的，将上述任一项的透明超表面构成的电磁空间调控系统布置在物体的窗户上，根据应用场景，对透明超表面的超构材料单元状态进行自适应调整以调控入射到超表面上的电磁波的时域-空域-频域多维特性，通过超表面的透射功能实现对窗外的电磁波接入和覆盖优化。

进一步的，将上述任一项的透明超表面构成的电磁空间调控系统布置在物体表面，根据应用场景，对超表面的超构材料单元状态进行自适应调整以调控反射电磁波的时域-空域-频域多维特性，通过超表面的反射功能实现对无线信号传输信道进行覆盖优化、非视距中继、局部信号增强中的一种或多种调控。

有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益技术效果：

(1)该透明超表面具有可见光的高透特性，既可以在火车/客车/轮船等交通工具的车厢 /座舱玻璃、车窗玻璃、建筑物的外墙玻璃/玻璃外立面等场景应用，同时具备智能，表面对电磁波的调控功能。

(2)该透明超表面及其构成的电磁调控系统，可以实现对火车/客车/轮船等交通工具、建筑物室内无线信号的覆盖和接入等问题，可将室外的宏基站或者微基站的信号无线信号接入到室内，尤其是可以解决5G毫米波信号难以直接对室内进行覆盖/接入的痛点、兼具备“隐蔽”特性。

(3)该透明超表面可以用作电磁散射体，覆盖在建筑物的合适位置，充当空间信号中继站的角色，或者对宏基站或者微基站的无线信号进行二次散射时，可以使信号定向发送到处于信号盲区的用户；采用该分布式的透明超表面构成的电磁调控系统，可以进一步自适应地优化信道性能、提升传输速率和通信质量，减小不同接收设备之间干扰。

附图说明

图1是一种透明超表面构成的电磁空间调控系统的典型实施例；

图2是一种透射式透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其中，2a为该典型超构材料单元侧视图；2b为该典型超构材料单元的上层或者下层功能层的示意图；2c为该典型超构材料单元的透射式工作原理示意图；

图3是另一种透射式透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其特征为三层结构；

图4是又一种透射式透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其中，4a为该典型超构材料单元侧视图；4b为该典型超构材料单元的上层或者下层功能层的示意图。

图5是一种反射式透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其中，5a为该典型超构材料单元侧视图；5b为该典型超构材料单元的上层功能层的示意图；5c为该典型超构材料单元的下层功能层的示意图；5d为该典型超构材料单元的反射式工作原理示意图；

图6是另一种反射式透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其中，6a为该典型超构材料单元侧视图；6b为该典型超构材料单元的上层功能层的示意图；6c为该典型超构材料单元的下层功能层的示意图。

图7是一种中间填充液态金属的透明超表面的超构材料单元的典型实施例，其中，7a为该典型超构材料单元侧视图；7b为该典型超构材料单元的上层功能层的示意图；7c为该典型超构材料单元的下层功能层的示意图。

图8是一种中间填充液晶的超构材料单元的典型实施例，其中，8a为该典型超构材料单元侧视图；8b为该典型超构材料单元的上层或者下层功能层的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

结合图1至图3，为本发明中的一个典型实施例，所述一个透明超表面构成的电磁空间调控系统，包括透明超表面11、驱动及控制模组12、自适应调控处理器13：透明超表面11 与驱动及控制模组12通过排线14的方式进行互连，而驱动及控制模组12与自适应调控处理器13通过以太网线15的方式进行互连。

其中，典型的透明超表面11由多个超构材料单元111周期性或者非周期性排列形成；典型的驱动及控制模组12由多个驱动或者I/O扩展芯片121、多个电源芯片122、以及控制/ 逻辑芯片123(如FPGA、CPLD、DSP或者ARM、RISC-Ⅴ及单片机芯片等)以及其相关外围电路构成；典型的自适应调控处理器13包括CPU芯片131以及其相关外围电路、内存132等，甚至可配置GPU等加速器：驱动或者I/O扩展芯片121在控制/逻辑芯片123的控制下，对超构材料单元111上的有源调控元器件进行电流、或者电压、或者通/断等方式的驱动和控制，使透明超表面11产生不同的响应状态，进而实现超表面11对电磁波幅度、相位、频率、极化等参数进行调控的功能。

而自适应调控处理器13为驱动及控制模组12及其控制/逻辑芯片123提供自适应调控的策略和方法、以及协同处理、甚至对驱动及控制模组12的策略和方法进行人工智能的训练和优化。透明超表面11及其超构材料单元111，根据不同的应用场景和工作模式，可以是选择透射式的工作方式，也可以是选择反射式的工作方式。

下面结合图2，说明一种透射式透明超表面的超构材料单元21的典型实施例。该透射式透明超构材料单元21由上层透明薄膜功能层211、透明基板212及下层透明薄膜功能层213 相互粘接或压合构成：该超构材料单元的透明基板212为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或几种；该上层透明薄膜功能层211和下层透明薄膜功能层213为对称或者互易的结构，且在透明薄膜功能层211或者213上有特定设计的人工电磁结构216，例如中间开缝的导电贴片；而透明薄膜功能层211或者213上的人工电磁结构216 由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种材料形成，通过刻蚀、光刻、或者化学腐蚀、亦或电镀等方式形成在透明薄膜功能层上211 或者213；在人工电磁结构216上贴装有PIN二极管214，也即中间开缝的导电贴片通过PIN 二极管连接；

上层透明薄膜功能层211和下层透明薄膜功能层213的人工电磁结构通过微纳工艺埋入的金属丝/金属纳米线或者通孔金属化方式形成的过孔结构215实现上下功能层电气连通。所述过孔结构215的数量和位置可以自由设定。具体来讲，上层透明薄膜功能层211上的两个导电贴片和下层透明薄膜功能层213上的两个导电贴片通过金属丝/金属纳米线或者通孔金属化方式形成的过孔结构215实现上下功能层电气连通。

进一步，结合图2c来说明该透射式透明超表面的单元21的工作原理，当入射的电磁波/ 场22从一侧照射到单元21的上层功能层上，会在上层功能层的人工电磁结构上形成感应电流，该感应电流23通过金属丝/金属纳米线或过孔结构215传导到下层功能层的人工电磁结构形成感应电流，从而再次形成电磁波/场24发射出去，即该单元21实现了电磁波/场的透射，即智能超表面的电磁透射效果。

而功能层211和213上的PIN二极管214，通过调控其通/断或者加载的电流值或者电压值，从而调控功能层211和213的人工电磁结构上感应电流的分布和电流强度，从而调控感应电磁场的幅度、或者相位、亦或幅相综合的响应状态。

进一步，由多个超构材料单元21周期性或者非周期性排列形成智能超表面，可以通过调控每个单元上的幅度和相位响应状态的分布，从而形成不同地电磁响应的效果，即假设基于信息超构材料的智能超表面由M×N个非周期性或者周期性排列的单元构成，则其散射或者辐射的电场为：

其中，

为信息超构材料单元的感应电场，θ和

分别位球坐标系下的空间坐标的电场

波束的方位角度，k为波数值，d为信息超构材料单元的周期间隔，A_mn为第(m，n)个超构材料单元的编码对应的幅度响应值，

为第(m，n)个超构材料单元的编码对应的相位响应值。同时，相比于传统材料或者一般的有源或者无源的超构材料，可以实现可见光范围透过率≥80％。

不失一般性地，超构材料单元上的有源调控元器件，不仅限于PIN二极管，还可以是变容二极管、FET管、MEMS器件、以及功率放大器或者低噪放芯片等器件，实现超构材料单元上感应电磁场的幅度或者相位、亦或幅相综合的响应状态。

所述的超构材料单元还可以由透明薄膜功能层与透明基板多层复合构成，如图3所示，该透射式透明超构材料单元31由上层透明基板314、上层透明薄膜功能层311、中间透明基板315、下层透明薄膜功能层312、以及下层透明基板316相互粘接或压合构成。

透明薄膜功能层311或者312上有特定设计的人工电磁结构、且人工电磁结构上贴装有有源调控元器件；透明薄膜功能层311或者312设于上层透明基板314和下层透明基板316 之间，即人工电磁结构及有源调控元器件可以被有效的保护起来，从而具有优异的环境适应性和可靠性，甚至可做防弹防爆等特殊应用的处理。也即可以认为是将图2中结构上层加上上层透明基板和下层加上下层透明基板以起到保护作用。

如图4所示，为又一种透射式的透明超构材料单元32的实施例，结合图4a至图4b来说明具体的结构：由上层透明薄膜功能层321、中间透明基板322、下层透明薄膜功能层323相互粘接或压合构成，且透明薄膜功能层321与323为对称或者互易的结构；在透明薄膜功能层321或者323上有特定设计的人工电磁结构，如圆形贴片326和微带传输线327构成，且一般由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种材料形成；在微带传输线327上贴装有低噪声放大器或者功率放大器324；所述功能层上的微带传输线327的一端与圆形贴片326连接，且在微带传输线327另一端设有过孔结构325，即上、下层功能层上的微带线均通过该过孔结构325垂直互连，继而实现上层透明薄膜功能层321与下层透明薄膜功能层323的电气连通。通过调控低噪声放大器或者功率放大器324的驱动电压，可以调整该器件的增益值，从而进一步调控透明超构材料单元32的透射电磁波的幅度。

再进一步结合图5，说明一种反射式透明超表面的超构材料单元41的典型实施例。该反射式透明超构材料单元41由上层透明薄膜功能层411、透明基板412及下层透明薄膜功能层 413相互粘接或压合构成：

如图5a至5c，该超构材料单元的透明基板412为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及 PET、PEN透明柔性材料中的一种或几种；在透明薄膜功能层411上有特定设计的人工电磁结构417，例如开缝的领结形的导电贴片或矩形导电贴片；而透明薄膜功能层411上的人工电磁结构417由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种形成，通过刻蚀、光刻、或者化学腐蚀、亦或电镀等方式形成在透明薄膜功能层上411或者413；

在人工电磁结构417上贴装有PIN二极管或者变容二极管414；上层透明薄膜功能层411 和下层透明薄膜功能层413的人工电磁结构通过微纳工艺埋入的金属丝/金属纳米线或者通孔金属化方式形成的过孔结构415和416；

在下层透明薄膜功能层413上具有完整的导电贴片418构成电磁参考地，且每个单元结构中至少有一个过孔结构415需与该电磁参考地418连通、且另一侧的过孔416根据设计可与电磁参考地418不连通，该导电贴片418同样也是由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种形成。

进一步，结合图5d来说明该透射式透明超表面的单元41的工作原理，当入射的电磁波/ 场42从一侧照射到单元41的上层功能层上，会在上层功能层的人工电磁结构上形成感应电流，同时下层功能层的人工电磁结构形成参考地的结构，从而再次形成电磁波/场43发射出去，即该单元41实现了电磁波/场的反射，即智能超表面的电磁反射效果。而功能层411和 413上的PIN二极管414，通过调控其通/断或者加载的电流或者电压，从而调控功能层211 的人工电磁结构上感应电流的分布和电流强度，从而调控感应电磁场的幅度、或者相位、亦或幅相综合的响应状态。

再进一步通过周期性或非周期性排列单元41构成反射式透明超表面，从而形成不同地电磁响应的效果，其方式和方法与透射式的相类似。

如图6所示，为另一种反射式的透明超构材料单元42的实施例，结合图6a至图6c来说明具体的结构：由上层透明基板421、上层透明薄膜功能层422、中间透明基板423、下层透明薄膜功能层424相互粘接或压合构成；上层透明基板421为上层透明薄膜功能层422起保护作用；在透明薄膜功能层422上有特定设计的人工电磁结构426，如图6b所示设计的导电贴片，由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种形成，在导电贴片426上贴有柔性PIN二极管425，该柔性PIN二极管425为薄膜形式，因此它可以更好的贴附在上层透明薄膜功能层422上、且具有一定的透光性；

在下层透明薄膜功能层424上具有完整的导电贴片428构成电磁参考地；在人工电磁结构贴片426的边缘设有金属纳米线或者细微带线427，作为直流馈电和控制线，即可以与相邻排布的单元连通构成并联式的馈电/串联式控制形式，也可以独立地进行直流馈电和控制。

再进一步扩展，对于上述透射式或者反射式的超构材料单元，在透明薄膜功能层与透明基板之间也可以通过微纳工艺填充电调控材料，如液晶、液态金属，通过电压或者电流以改变人工电磁结构的导电贴片的形状或者通/断、人工电磁结构的等效介电常数和损耗因子等，从而实现超构材料单元上的不同电磁场的幅度或者相位、亦或幅相综合的响应状态。

结合图7a至图7c来说明中间填充液态金属的透明超构材料单元结构：透明超构材料单元51由上层透明薄膜功能层511、透明基板513及下层透明薄膜功能层512相互粘接或压合构成；透明基板513为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或几种；透明薄膜功能层511与透明基板513之间填充有液态金属，透明基板513上采用微纳工艺加工或者刻蚀形成流道515，则该液态金属束缚在该流道515内，通过加载电压、液态金属在流道内可流动，形成不同长度的人工电磁结构516；而在单元结构内的流道515边缘与埋入透明基板513的过孔结构514连通，则过孔结构514构成电压调控的控制线；在下层透明薄膜功能层513上具有完整的导电贴片517构成电磁参考地，该导电贴片517同样也是由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种形成。通过改变不同长度的人工电磁结构516，该填充液态金属的透明超构材料单元结构可实现电磁波反射相位的重构调控。图7展示的反射超表面单元结构。

结合图8a和图8b来说明中间填充液晶的透明超构材料单元结构：透明超构材料单元61 由上层透明薄膜功能层611、透明基板612及下层透明薄膜功能层613相互粘接或压合构成，且透明薄膜功能层611与613为对称结构；在上层透明薄膜功能层611和透明基板612、透明基板612和下层透明薄膜功能层613之间分别填充有液晶材料615；在透明薄膜功能层611 或者613上有设计的人工电磁结构617，如矩形导电贴片，且由氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜、金属纳米线中的一种或几种形成，通过刻蚀、光刻、或者化学腐蚀、亦或电镀等方式形成在透明薄膜功能层上611或者613；在单元结构的透明基板612内有埋入过孔结构616，做为对液晶材料加载电压或者电流进行调控的馈电线。通过改变不同电流或者电压值，使填充在单元61的液态金属的介电常数和损耗因子发生改变，从而实现单元61透射的电磁波的幅度和相位的频率响应发生变化、以重构调控。图8展示的是透射超表面的单元结构。

不失一般性地，上述反射式透明超构材料单元或者透射式透明超构材料单元周期性或非周期性排列成透明超表面，可以按照均匀间隔满阵列的方式排布，也可以采用非均匀间隔得稀布阵列的方式进行阵列，以节省成本，简化结构，同时可以进一步提高透明超表面的可见光透过率。

上述的透明超表面构成的电磁空间调控系统，一般由至少一个透明超表面、一个驱动及控制模组和一个自适应调控处理器构成；也可以有多个透明超表面、一个驱动及控制模组和一个自适应调控处理器，或者多个透明超表面、多个驱动及控制模组和一个自适应调控处理器，按照分布式的方式进行安装和部署，以适应不同的应用场景。对于分布式的协同，可以是同步的、或者异步的方式进行工作。

上述的透明超表面构成的电磁空间调控系统的自适应调控处理器，为驱动及控制模组及其控制/逻辑芯片提供自适应调控的策略和方法、以及对策略和方法进行人工智能的训练和优化；进一步可选地，自适应调控处理器可以集成有其他传感器，如感光、感声、温湿度器、陀螺仪等，可对外界综合环境进行感知；通过传感器反馈的数据，为自适应调控处理器提供调控的环境和参考输入，以便指导自适应调控处理器根据调控策略或者方法，进行训练或者优化。

不失一般性地，上述透明超表面构成的电磁空间调控系统可以有以下的应用。

上述透射式透明超表面构成的电磁空间调控系统，可以实现对于建筑物室内无线信号的接入和覆盖优化场景的应用，尤其是针对传统移动通信信号对于高层建筑室内覆盖盲区、以及5G移动通信毫米波室内难以直接接入/覆盖的缺陷，通过在建筑物的外窗上部署该透射式电磁空间调控系统，将宏基站、微基站、以及直放站等其他信号覆盖装置的无线信号直接接入到室内，通过电磁空间调控系统的自适应调控处理器，可以调控外侧的透明超表面功能层和内侧的透明超表面功能层的不同单元状态组合、即不同效能的编码，即从时-空-频等多维特性调控透射的电磁波，同时根据不同的用户数量或者室内的布局，自适应地优化室内覆盖的效果。

例如，透射式透明超表面71和72构成的就是分布式的电磁空间调控系统，通过光纤进行互连；而透射式透明超表面73则为独立部署的电磁空间调控系统；其自适应调控处理器则部署在建筑物的设备间、机房或者某个房间里。

上述透射式透明超表面构成的电磁空间调控系统，可以实现对于车厢内无线信号的接入和覆盖优化场景的应用，尤其是针对传统移动通信信号对于高铁等车厢覆盖效果差、以及5G 移动通信毫米波难以直接接入/覆盖车厢内的缺陷，通过在车辆或者高铁的外窗上部署该透射式电磁空间调控系统，将宏基站、微基站、以及直放站等其他信号覆盖装置的无线信号直接接入到车厢内，通过电磁空间调控系统的自适应调控处理器，可以分别调控车厢或者舱内窗户内外侧的透明超表面的不同编码，即从时-空-频等多维特性调控透射的电磁波，同时根据不同的用户数量或者车厢的布局，自适应地优化室内覆盖的效果。

例如，透射式透明超表面81和82在高铁的外窗上构成的就是分布式的电磁空间调控系统，通过光纤进行互连；而透射式透明超表面83在客车的外窗上则为独立部署的电磁空间调控系统；其自适应调控处理器则部署在车辆内部，进一步还可以集成有其他的传感器，如温湿度器、陀螺仪、GPS等，可以根据地理位置、行驶速度、车辆的姿态等情况，进一步自适应地调控接收/发射的电磁波的波束方向、功率、甚至自适应波束成形，以便更好地接入无线信号。

上述反射式透明超表面构成的电磁空间调控系统，可以实现对于室外无线传输优化的应用，通过在建筑物的外立面或者外窗上部署该反射式电磁空间调控系统，将宏基站、微基站、以及直放站等其他信号在空间传输上进行优化，对于室外的无线传输信道进行覆盖优化、非视距中继、以及局部信号增强，即从时-空-频等多维特性调控反射的电磁波。

例如，反射式透明超表面91和92构成的就是分布式的电磁空间调控系统，通过光纤进行互连，与基站一起针对用户密集区域进行覆盖优化和信号增强，提高覆盖质量；而反射式透明超表面93则为独立部署的电磁空间调控系统，针对被建筑物遮挡的非视距覆盖的用户进行中继传输，进行信号补盲；而反射式透明超表面94则为独立部署的电磁空间调控系统，针对距离基站较远的弱覆盖的用户进行局部信号增强，定向调控、改善其信号连接质量；其自适应调控处理器则部署在建筑物的设备间、机房或者某个房间里，可以根据基站侧或者云端服务器的监控，进一步自适应地调控外侧的电磁波的波束方向、功率、甚至自适应波束成形，以便更好地优化传输和覆盖的无线信号，优化信道性能、提升传输效率和通信质量，甚至减小不同接收设备之间干扰。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特征在于，该电磁空间调控系统至少包括：透明超表面、驱动及控制模组、自适应调控处理器；所述透明超表面为对电磁波/电磁场具有透射功能的超构材料单元排列形成，或者所述透明超表面为对电磁波/电磁场具有反射功能的超构材料单元排列形成；所述驱动及控制模组与透明超表面连接，通过对超构材料单元的电调元件进行电流、或者电压、或者通/断的驱动和控制，实现透明超表面对电磁波/电磁场的调控；所述自适应调控处理器与驱动及控制模组连接，通过对驱动及控制模组控制以实现对超构材料单元状态自适应调控。

2.根据权利要求1所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特征在于，所述驱动及控制模组通过线缆或者插接的方式与透明超表面连接，所述自适应调控处理器与驱动及控制模组通过线缆或者插接的方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特征在于，所述自适应调控处理器集成有感光传感器、感声传感器、温湿度传感器、陀螺仪中的一种或多种，通过传感器反馈的数据，为自适应调控处理器提供调控的环境和参考输入。

4.根据权利要求1所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特在于，所述对电磁波/电磁场具有透射功能的超构材料单元至少包括上层透明薄膜功能层、透明基板及下层透明薄膜功能层，所述上下两层透明薄膜功能层上设置有导电贴片，每层上的导电贴片通过电调元件连接，并且上层透明薄膜功能层和下层透明薄膜功能层的导电贴片电气连通。

5.根据权利要求1所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特在于，所述对电磁波/电磁场具有反射功能的超构材料单元至少包括上层透明薄膜功能层、透明基板及下层透明薄膜功能层；所述上层透明薄膜功能层上设置有导电贴片，并且导电贴片通过电调元件连接，下层透明薄膜功能层上设置有导电片构成的电磁参考地，并且上层透明薄膜功能层和下层透明薄膜功能层的导电贴片电气连通。

6.根据权利要求4或5所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特在于，所述超构材料单元的透明薄膜功能层与透明基板之间填充有可电调材料，并且可电调材料与所述超构材料单元的透明薄膜功能层与透明基板之间电气连接。

7.根据权利要求1或3或4所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特在于，所述电调元件为PIN二极管、变容二极管、FET管、MEMS器件、以及功率放大器或者低噪声放大器芯片的任一种。

8.根据权利要求4或5所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特征在于，所述透明基板为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或多种。

9.根据权利要求1或2所述的一种透明超表面构成的电磁空间调控系统，其特在于，所述透明超表面上的超构材料单元排布为均匀间隔满阵列的方式排布或非均匀间隔稀布阵列的方式排布。

10.一种基于透明超表面构成的电磁空间调控系统的室内覆盖优化的应用，其特征在于，将上述权利要求1-9任一项的透明超表面构成的电磁空间调控系统布置在物体的窗户上，根据应用场景，对透明超表面的超构材料单元状态进行自适应调整以调控入射到超表面上的电磁波的时域-空域-频域多维特性，通过超表面的透射功能实现对窗外的电磁波接入和覆盖优化。

11.一种基于透明超表面构成的电磁空间调控系统的室外无线传输优化的应用，其特征在于，将上述权利要求1-9任一项的透明超表面构成的电磁空间调控系统布置在物体表面，根据应用场景，对超表面的超构材料单元状态进行自适应调整以调控反射电磁波的时域-空域-频域多维特性，通过超表面的反射功能实现对无线信号传输信道进行覆盖优化、非视距中继、局部信号增强中的一种或多种调控。

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