超材料的杀手级应用是什么？

超材料是一种创新的人造材料，经过精心设计，具有自然界中罕见的独特性能。超材料由金属和塑料等复合材料组成，以精确、重复的图案排列，其非凡能力源自精心设计的结构，而不是其基础材料。通过操纵形状、几何形状、尺寸、方向和排列，超材料可以控制入射波（无论是阻挡、吸收、增强还是弯曲它们），这是传统材料无法实现的。这种创新的设计方法使超材料能够影响电磁波、声波和其他类型的波，为从光学到电信等领域开辟了新的可能性。

在IDTechEx 最近发布了一份新报告，“超材料市场 2024-2034：光学和射频”中，对不断发展的电磁超材料领域进行了深入分析。该报告预测，到 2034 年，光学和射频超材料的总市场规模将达到 150 亿美元。本文将深入探讨推动射频 (RF) 超材料市场扩张的关键应用。

2034年射频超材料市场有多大，杀手级应用是什么？

RF 超材料旨在与 600 MHz 至 1 THz 频率范围内的电磁波相互作用。其潜在应用涵盖电信、安全和航空航天、汽车和医疗保健领域。IDTechEx 的分析重点介绍了每个类别中的关键应用，包括可重构智能表面 (RIS)、雷达波束形成、EMI 屏蔽和医疗传感。IDTechEx 预计，到 2034 年，RF 超材料市场将达到 20 亿美元，其中可重构智能表面 (RIS) 将推动 98% 的增长。

什么是可重构智能表面（RIS）？

RIS 是可重构智能表面的缩写，由二维超表面阵列组成，可通过可编程控制动态调整，实时操控射频波的传播，从而实现与信号波的精确交互，并将其引导至目标用户或接收器。这些表面提供了一种经济高效且低功耗的方法，可显著提高无线通信系统的能源效率 ( EE ) 和频谱效率 (SE)。

典型的 RIS 由三层组成。外层是印刷在介电基板上的许多金属贴片，可直接与入射波相互作用。铜板充当中间层，防止信号能量泄漏。内层装有控制电路板，用于管理每个元件的反射幅度和相移的调整。这些调整由连接到 RIS 的智能控制器控制，利用 FPGA、PIN二极管、电阻器和其他集成电路等组件。

▲2034 年射频超材料市场概览。来源：IDTechEx - “超材料市场 2024-2034：光学和射频”

RIS 在各种环境中的应用

RIS 可用于各种环境，以增强无线通信能力。例如，在基站中，RIS 技术有助于发射多个波束，从而减少对大量天线的需求，并通过多路复用来自多个用户的信号来增加基站容量。

此外，RIS 可以安装在城市室外区域的中央波束成形塔上，以精确地将蜂窝信号引导至特定用户，从而通过更集中的电磁辐射提高信号强度和安全性辐射。透明 RIS 变体安装在窗户和墙壁上时，可有效地引导光束绕过障碍物，增强信号传播。在室内，将 RIS 集成到墙壁和天花板中可改善信号覆盖范围，消除死区，并通过将光束重定向到用户来提高整体信号质量，确保可靠的连接。因此，RIS 技术提供了一种通用解决方案，可在各种环境中优化无线通信性能。

▲典型的 RIS 结构。资料来源：IDTechEx - “超材料市场 2024-2034：光学和射频”

为什么说 RIS 是杀手级应用？

高频通信（例如 5G 毫米波和即将推出的 6G 网络）可提供极快的数据传输速度和低延迟，但难以进行长距离传播并穿透建筑物和树叶等障碍物。保持信号强度和质量对于充分发挥这些先进无线技术的潜力至关重要。

RIS 是克服这些挑战的关键技术。通过战略性地部署 RIS，可以将信号重新定向到障碍物周围，从而有效地消除覆盖范围的空白，并以经济高效和低成本的方式增强信号在建筑物中的穿透力。

RIS 的优点包括能够动态调整信号相位和幅度，补偿长距离传播损失，从而提高高频带信号传输的效率和可靠性。

此外，RIS 还有助于提高信号与干扰加噪声比 (SINR)，从而提高信号强度、扩大覆盖范围并提高整体网络吞吐量。其操纵信号传播的能力使其在优化高频通信网络性能方面发挥着重要作用。

除了技术优势外，RIS 运行时功耗低，因为它们只需要极少的有源元件，使其成为传统中继系统的节能替代品。它们可以集成到现有基础设施（如建筑物表面）中，进一步简化部署并降低建立强大的高频电信网络的成本。

总之，RIS 代表了 5G 和 6G 网络中高频通信的关键支持技术，可以解决传播挑战并优化信号性能，以充分发挥先进无线技术在速度、容量和可靠性方面的潜力。