面向无线中继的宽带放大滤波智能超表面。 东南大学崔铁军教授团队联合香港城市大学、广州大学、杭州电子科技大学、苏州实验室等研究人员，在中国工程院院刊Engineering发表题为A Wideband Amplifying and Filtering Reconfigurable Intelligent Surface for Wireless Relay（ 面向无线中继的宽带放大滤波可重构智能超表面）的研究论文，提出了一种放大滤波智能超表面（AF-RIS）。其集成了带内信号放大、带外频率滤波与动态波束调控功能，并引入功率合成与分配网络构建了子连接架构，在降低硬件成本和功耗的同时，实现了信号增强与频率选择的统一。实验结果表明，该架构在2.8–3.2 GHz通带内可实现超过20 dB的能量增强，并具备优异的带外抑制性能，为6G无线中继系统的覆盖扩展与阵列小型化提供了硬件解决方案。
智能超表面在中继部署中的增益困境：能量增强与频率选择能否统一？
6G时代，物联网设备的规模化接入与系统容量的持续攀升，对无线中继的覆盖能力与通信质量提出了更高要求。智能超表面（RIS）凭借低成本、低功耗和架构简洁的优势，被视为下一代无线中继的关键候选技术。然而，RIS在实际部署中面临两方面制约：其一，可调元件的固有损耗使散射能量在材料界面显著衰减，为维持足够的接收信号强度，通常需要增大阵列面积予以补偿，硬件成本随之上升；其二，现有RIS缺乏频率选择性，在操控目标频带信号的同时也会影响带外信号，在频谱日益拥挤的环境下可能造成网络干扰与安全隐患。信号增强与频率选择在现有RIS架构中难以同时实现。
针对路径损耗问题，放大型智能超表面（A-RIS）通过集成放大电路补偿能量衰减，有效提升了接收端信号强度；但现有方案存在三方面不足：一是多采用全连接架构，每个单元独立配备放大器，功耗与硬件成本较高；二是多数方案工作在窄带或缺乏相位调谐能力；三是放大作用不区分带内带外信号，反而加剧了频谱污染。滤波型智能超表面（F-RIS）则通过频率选择机制抑制带外信号，展现出良好的波束扫描能力；但缺乏信号放大功能使其存在固有通带损耗，限制了其在实际通信系统中的应用。两者优势互补但始终未被有效整合，制约了RIS在6G无线中继场景中的实际部署。
AF-RIS阵列的设计与信号处理链路
图1为文章所提出的AF-RIS阵列作为无线通信中新型中继的概念图。AF-RIS阵列接收来自基站（BS）的目标频率信号并加以放大，同时滤除不需要的频率，然后将精炼后的信号传输给用户设备。
图1.所提出的AF-RIS阵列作为无线通信中新型中继的概念图。
为结合A-RIS与F-RIS的优势，本文提出的AF-RIS阵列在增强带内信号能量的同时，滤除带外信号。该阵列由四个子阵列组成，每个子阵列包含顶层贴片、中间缝隙平面、微带网络和底层接地面四层结构。信号处理链路为：入射空间波由贴片接收，经缝隙耦合转换为导波并注入微带网络；信号首先经功率合成网络汇聚，送入滤波放大电路实现带外抑制与带内能量增强；随后经功率分配网络分发至各单元，通过PIN二极管切换实现相位调谐；最终信号经缝隙耦合并以正交极化方式重新辐射。
在相位调谐方面，AF-RIS阵列的每个单元内集成了移相器与开关，通过切换PIN二极管的通断状态，信号可经过不同微带路径实现间隔90°的四种可重构状态，即2比特相位编码。全波仿真结果表明，在2.8–3.2 GHz通带内，各相位状态间呈现出稳定的90°相位差。通过独立控制子阵列中八个单元的相位状态，可在yoz平面上实现波束扫描，反射波束可指向±30°、±20°、±10°和0°方向。图2展示了AF-RIS阵列的结构设计与仿真验证结果。
图2.AF-RIS阵列结构与仿真结果。(a) 4×8阵列正视图；(b) 子阵列爆炸视图；(c) 缝隙平面与微带网络俯视图；(d) 不同相位状态的反射相位响应；(e) 仿真散射方向图；(f) yoz平面电场强度分布；(g) AF-RIS与有损RIS幅度响应对比；(h) 通带内宽调谐范围反射幅度；(i) 不同频率下电场强度分布。
AF-RIS的放大滤波性能与低成本、小型化优势
得益于集成的滤波放大电路，AF-RIS具备带内能量增强与带外抑制能力。该性能通过与同尺寸有损RIS的对比仿真加以验证。在0°至30°的扫描角度范围内，有损RIS的增益为−8.5 dB至−4.9 dB，而AF-RIS的增益为17.2–21.1 dB，带内能量增强超过20 dB。通过调节集成电路的增益，AF-RIS可在通带内实现宽范围的反射幅度调谐，而非固定水平的放大。在带外频率处，AF-RIS的增益较有损RIS下降更为陡峭，电磁波在阻带内被有效抑制。
在硬件成本与功耗方面，经RIS反射的接收信号功率与阵列面积的平方成正比。AF-RIS相比同尺寸有损RIS提供超过20 dB的能量增强，这意味着在接收端能量相同的情况下，所需阵列面积仅为有损RIS的十分之一。此外，传统A-RIS每个单元配备独立放大器，而AF-RIS的子连接架构使八个单元共享同一套滤波放大电路，同时保持各单元独立相位调控能力，显著减少了放大器数量。相比有损RIS，在接收端能量相同的条件下，AF-RIS的功耗降低了三分之一。
实验验证：从暗室测试到通信系统评估
研究团队制造了AF-RIS原型样机并在微波暗室中进行了测试。测量结果证实了2比特相位调谐的稳定性，在不同扫描角度和控制电压下滤波性能指标（Q因子与矩形系数K??dB）数值稳定聚集。在0°、10°、20°、30°等扫描角度下，AF-RIS相比有损RIS的能量增强均超过20 dB，供电电压在1–7 V范围内可实现最小25 dB的幅度调谐范围。
在此基础上，研究团队基于软件定义无线电（SDR）平台构建了无线中继通信测试系统，以QPSK调制传输视频信号，发射信号能量被刻意限制在−10 dBm以验证放大性能。实验设计了五种对比情形：情形1波束不对准且不放大，信号传输完全中断；情形2波束对准但不放大，视频仍存在马赛克；情形3同时开启波束赋形与信号放大，星座图收敛，视频流畅传输；情形4和5将频率设为2.65 GHz和3.35 GHz带外频率，信号被有效抑制（图3）。
图3.无线通信实验结果。(a–e) 五种情形下的能量谱与星座图；(f) 情形1–3中接收SNR与发射信号功率的关系；(g) 情形3中发射功率为−10 dBm时的SNR频谱。
SNR测试显示，情形3在3.0 GHz处峰值达27.1 dB，2.8–3.2 GHz通带内SNR保持在20.5 dB以上，带外骤降至11.7 dB以下，验证了AF-RIS同时具备信号放大、频率选择与波束赋形能力。
结论
本文提出的AF-RIS架构集成了带内放大、带外滤波与动态波束扫描功能。测量结果证实了20 dB的带内增益和显著的阻带抑制，与仿真性能吻合良好。集成的2比特相位调谐机制实现了对波传播的动态操控，同时在不同角度变化下保持稳健的滤波与放大性能。无线通信场景下的实验验证确认了AF-RIS同时具备放大、频率选择性操作和波束赋形功能，系统展现出显著的中继性能，同时具有低硬件复杂度和低功耗。论文指出，AF-RIS有望在6G无线通信系统中为扩展信号覆盖、缓解频谱污染和缩小超表面阵列尺寸提供重要价值。
（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2025.06.015
作者：崔铁军等 来源：《工程》
