微软开发超表面技术，应用在微波炉上

近日，微软官方网站上，微软亚洲研究院助理院长邱莉莉邱锂力，高级研究员潘浩署名发表了一篇博客《Metasurface: Unlocking the future of wireless sensing and communication》，介绍了微软在超表面技术上的研发和应用。以下为翻译内容。

随着人们对更快速、更可靠无线通信的需求持续增长，传统系统在效率和适应性方面面临局限。为了满足不断演进的需求，研究者正在探索操控电磁波的新方法以提升无线性能。

针对这些挑战，科研人员正在开发创新解决方案，其中超表面技术——这种能以前所未有方式控制波传播的工程材料备受关注。通过动态塑形和定向电磁波，超表面为突破传统无线系统限制提供了可行路径。

基于这些特性，我们正在开发适用于多类无线场景的超表面技术，包括增强近地轨道卫星通信、优化声学传感，以及为5G/6G通信系统和商用设备实现声学与毫米波技术突破。最新研究聚焦于室内全球导航卫星系统（GNSS）信号接收、特定场景毫米波覆盖优化、微波炉热能分布改进，以及无需耳机的定向声场投射。

超表面技术优化GNSS实现室内精确定位

尽管GNSS广泛应用于室外定位导航，但其室内性能常受物理障碍导致的信号阻断、反射和衰减影响。现有方案多依赖Wi-Fi和蓝牙低功耗（BLE）等技术，但这些方法需额外基建投入且部署复杂，精准定位还需移动设备配备专用软硬件。

GNSS信号本身具备室内定位潜力。利用庞大的卫星群，GNSS方案无需基站部署维护，可实现室内外无缝定位衔接，支持智能车辆在工业园区等场景的连续导航。通过实测发现，GNSS信号能以不同角度穿透窗户，经地板天花板反射衍射形成非均匀分布。超表面技术通过调控电磁波结构阵列，可捕获并重定向更多GNSS信号，使信号以平行地面路径进入建筑实现广覆盖。基于此，我们开发了无源超表面GNSS定位系统（GPMS）。

无源超表面缺乏可编程性是其局限。为此我们设计双层超表面结构（见图1），使不同入射角电磁波具有相似出射轨迹。图示展示了优化超表面增强室内GNSS信号的关键要素：两颗GNSS卫星、远场信道、近场信道矩阵、无源超表面网格及三维波形，目标辐射矩阵对应室内用户。优化目标为：所有入射角下超表面辐射输出均趋近GNSS信号输入的目标辐射模式。

图1：GPMS双层超表面结构

为提高定位精度，我们开发了以超表面作为锚点的新算法。传统GPS需至少四颗卫星信号解码位置，而GPMS系统中（见图2）每个部署的超表面相当于虚拟卫星。室内部署至少三个超表面即可通过三角定位实现高精度定位。图示商场环境中，三个超表面分别对应三个调控散射区域，室外GNSS卫星信号经超表面作用进入室内。

图2：GPMS系统示意图。无源超表面引导GNSS信号入室，增强定位算法实现移动设备室内精确定位。

在1000平方米办公区和300平方米会议厅部署含六个超表面的GPMS系统后，测试显示：信噪比指标C/N₀从9.1 dB-Hz提升至32.2 dB-Hz，可见卫星数从3.6增至21.5，绝对定位误差在办公区从30.6米降至3.2米，会议厅从11.2米降至2.7米。这些成果验证了GNSS超表面室内定位的可行性优势。

超表面扩展毫米波覆盖

毫米波是实现5G/6G高速低时延的关键，但商用60GHz路由器和移动设备的有限覆盖及易受遮挡特性制约其普及。传统方案依赖多接入点部署或金属反射板，成本高且效果有限。研究表明可编程超表面能有效增强信号盲区覆盖，显著提升信号质量效率。

为此我们开发了AutoMS自动化服务平台（见图3），通过低成本无源超表面设计与策略布局优化毫米波覆盖。该框架包含三大创新：

1.自动联合优化：通过相位设置、超表面布局与接入点定位的综合分析，AutoMS优化网络部署配置，并精调波束赋形。通过迭代确定超表面数量、尺寸和位置，调整相位设置与接入点配置实现最优覆盖。流程图展示了基于环境扫描生成3D模型后，通过无线信道建模与超参数调谐，最终输出超表面制造与网络部署方案。

图3：AutoMS框架根据环境扫描生成超表面与接入点优化部署方案

2.快速三维射线追踪模拟器：借助硬件加速，该模拟器可在A100 GPU上三分钟内完成13亿条光线追踪，高效计算数万元件超表面信道矩阵。

3.低成本无源超表面设计：我们开发了具有近2π相位调控能力、兼容毫米波频段的宽带高反射无源超表面。该设计适配低成本热压工艺，用户可极低成本制造超表面（见图4）。流程包括：激光打印图案→热压铝箔转印→剥离铝箔获得金属图案→粘贴至塑料基板。

图4：低成本无源超表面制作流程

基于公开3D布局数据集和实地测试，AutoMS显著提升多场景毫米波覆盖。相比单路由器，信号强度提升12.1dB，目标区域增益达11dB，盲区超20dB，吞吐量从77Mbps增至373Mbps，展现强大环境适应能力。

超表面实现微波炉均匀加热

微波炉加热不均易致食物冷区滋生细菌，或产生烫伤风险的热点。这源于微波炉通过介质加热产生射频电磁波形成的驻波节点（无加热）与波腹（快速加热）。

为此我们开发MicroSurf方案（见图5），利用无源超表面调控炉内电磁能。通过超表面与电磁波的共振效应改变驻波分布，实现均匀加热。图示包含：A.微波炉内电场分布不均导致加热不均；B.微波炉精确建模（几何优化、介电常数调谐、频率调谐）；C.设计耐高功率的相位调控超表面；D.实现不同食物均匀加热及局部选择性加热。

图5：MicroSurf工作原理

四大品牌微波炉测试表明，MicroSurf可优化液体（水、牛奶）和固体（面包、肉类）加热，适应不同形状食物，集中加热特定区域，为家电智能化发展指明方向。

推动无线技术创新

无线传感与通信技术正快速演进，驱动多领域创新突破。我们持续拓展技术边界——特别是在超表面研发领域——致力于为多样化应用场景提供实用解决方案。

原文链接：https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/metasurface-unlocking-the-future-of-wireless-sensing-and-communication/