东南大学罗章杰和崔铁军团队ACS AMI：突破信息超表面的无源倍频与谐波操控技术，推动倍频反向散射通信应用

解决的问题：反向散射通信在物联网具有广阔应用前景，但同频干扰问题尤为突出。从物理层出发，利用倍频谐波作为通信载波是一种潜在解决方案。非线性超材料是低成本、低功耗的倍频方案，但传统技术倍频效率普遍偏低，且缺乏谐波操控手段。如何突破倍频超材料的技术瓶颈，发挥谐波的应用价值，是本研究解决的问题。

提出的方法：本研究创新提出了一种具有倍频功能的信息超表面，其非线性单元能够以零功耗实现频率倍增，并完成谐波相位的动态调控。因此，该超表面可作为简化架构的发射机将“倍频、谐波信息调制、调制信号定向发射”功能集为一体，在物理层为反向散射通信提供抗干扰技术方案。

实现的效果：实验表明，在2.4GHz基波信号激励下，信息超表面样机可高效产生4.8GHz的倍频谐波；通过阵面相位梯度设计，团队演示了多种可编程的谐波散射模式；进一步地，团队以倍频谐波为载波实现了BPSK和QPSK数字调制信号的生成和定向发射，验证了该超表面在反向散射通信上的应用潜力。

创新点：本研究首次在二维超表面架构下突破了无源高效倍频和谐波相位实时调控技术，并在无线通信系统中验证了该超表面对谐波信号的高阶信息调制和定向发射功能，为提升反向散射通信系统的抗干扰能力提供了源自物理层的技术路径。

研究成果以“Nonlinear Information Metasurface for Second-Harmonic Generation, Manipulation, and Backscatter Communication”为题，发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》（JCR-Q1，IF=8.5）。东南大学李天耀为第一作者，罗章杰、程强、崔铁军为论文共同通讯作者。

摘要：在微波频谱领域，超材料的出现为空间波直接转换为倍频谐波开辟了新途径。然而，尽管这些新物理研究引发了广泛关注，其实际应用尚未得到充分探索。本文提出了一种用于倍频的非线性信息超表面，并论证了其在谐波反向散射通信中的应用。该超表面由数字模块控制的无源单元阵列构成，既能实现入射波频率的倍增，又可动态调控倍频谐波的相位分布。本研究实验验证了该超表面优秀的频率转换效率与实时可控的倍频谐波散射性能。在反向散射通信系统中，超表面以同一口径实现了倍频谐波产生和谐波载波上的二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）直接调制，充分展示了技术可行性。这一技术突破为发展抗干扰、低功耗的反向散射通信系统提供了全新技术路径，在物联网、智能传感等领域展现出重要的应用前景。

结论：我们提出了一种高效产生倍频谐波的非线性信息超表面，并展示了其在谐波反向散射通信中的应用。与传统倍频超材料相比，该超表面具有超薄剖面结构和高倍频效率，并具备灵活调控倍频谐波相位的能力。作为概念验证，超表面样件在低功率密度照射下实现了2.46%的倍频效率（显著高于现有研究），并在实验中展示了谐波散射调控能力。随后，该超表面被应用于反向散射通信系统，成功将数字信息直接加载于倍频谐波之上，验证了反向散射应用的可行性。凭借频分复用、抗干扰等独特优势，该信息超表面在物联网场景中展现出显著竞争力。

图1：本文提出的倍频信息超表面及其在谐波反向散射通信中的应用示意图。该超表面能够高效实现入射微波的频率倍增，并将数字信息调制到倍频谐波信号上。

图2：超表面单元结构及性能。

图3：超表面样机、倍频效率实验结果以及测试场景。

图4：谐波散射操控仿真与实验结果。

图5：基于倍频信息超表面的谐波反向散射通信实验系统。接收信号通过软件无线电设备处理，实现数据解调恢复。

文章信息：

T. Li, Z. Luo*, J. Tai, Z. Zhang, C. Gao, H. F. Ma, W. X. Jiang, Q. Cheng*, and T. J. Cui*. Nonlinear Information Metasurface for Second-Harmonic Generation, Manipulation, and Backscatter Communication. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17 (19), 28752-28763.

https://doi.org/10.1021/acsami.4c22727