近日，我校BW·西汉姆联罗宇教授团队联合东南大学崔铁军院士、张婧婧教授团队在智能透明超表面与车载无线通信领域取得重要研究突破，相关研究成果以“Functionally Adaptive Smart Metasurface Window with Weber Beams for Obstacle-Avoiding Communications in Vehicle Cabin”为题，发表于权威综合性学术期刊《国家科学评论》（National Science Review，影响因子17.1），成功实现利用透明挡风玻璃生成具有自弯曲和自愈合能力的韦伯波束，使无线信号能在复杂的环境（如车厢、巷道等）中绕过各种障碍物，实现稳健的链路传输，为下一代智能网联高速无线通信提供了可靠的方案。罗宇教授、崔铁军院士和张婧婧教授为论文的通讯作者。
随着5G向6G演进以及车辆与万物互联（V2X）需求的爆发，车内无线数据吞吐量呈现指数级增长。然而，现代汽车车身大量采用金属材料，座椅头枕、乘客身体以及后排显示屏等构成了复杂多变且密闭的电磁环境。传统电磁波在遇到障碍时极易被遮挡、反射或衰减，导致高清视频会议、在线游戏、车载娱乐系统等业务出现卡顿甚至断连，用户体验大打折扣。为破解这一长期困扰业界的“信号荒漠”难题，研究团队跳出传统思维，将目光投向了汽车上面积最大且天然具备视觉通透性的部件——挡风玻璃。
高透光玻璃变身智能电磁调控界面
如何在保证玻璃高度透明的前提下，实现对微波的高效调控，是横亘在研究者面前的第一道难关。团队没有采用常见的氧化铟锡（ITO）薄膜（虽透明但导电损耗较大），而是另辟蹊径，基于低成本的柔性PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基底，利用高精度印刷电路板（PCB）工艺蚀刻出线宽仅0.1毫米的精细铜线阵列。通过三层金属层与中间层的巧妙堆叠，设计出一种既能高效转换电磁波极化（交叉极化转换效率高，S21达-1.9 dB），又能保持73.5%可见光透过率的超表面单元。这一数值完全满足汽车挡风玻璃的国家安全标准，驾驶员视野清晰无碍。同时，团队利用Pancharatnam-Berry相位原理，仅通过旋转单元结构中特定金属层的角度（从-45°到45°），便同时实现了对透射电磁波振幅的连续调控和1比特（0°或180°）的相位控制。这种“以一当二”的设计思路极大简化了超表面的布局复杂度，为后续生成复杂波形铺平了道路。
赋予电磁波“自弯曲、自愈合”的能力
这项研究的核心理论突破在于将“非衍射波束”的概念引入透明超表面设计。不同于普通电磁波发射后会自然发散，非衍射波束（如贝塞尔波、艾里波、韦伯波等）能在长距离传播中保持其横向轮廓基本不变，并具备独特的自弯曲（self-accelerating）和自愈合（self-healing）特性——即波束可以沿着曲线轨迹行进，且在遭遇障碍物局部遮挡后，能利用旁瓣能量重新恢复完整的波前。
针对车内前挡风玻璃（侧窗）和后挡风玻璃两个典型应用场景，团队量身定制了两种韦伯波：
用于侧窗的正交韦伯波（OWB）： 考虑到乘客手持设备通常位于侧窗的后下方，该波束在水平（x）和垂直（y）方向分别设计成具有加速特性。从侧窗发出的电磁波会自动向下并向车后方弯曲，精准覆盖乘客所在区域。近场测量显示，即便将一个150毫米见方的金属块完全遮挡波束主瓣，波束在传播0.6米后依然能通过旁瓣干涉实现自我修复，恢复稳定的能量输送。
用于后窗的半自聚焦韦伯波（SAFWB）： 后窗环境更为严苛，既要应对后方座椅头枕及行李的遮挡，又需将能量有效汇聚到车厢中部。团队创造性地将两束反向传播的一维韦伯函数进行扫描合成。该波束在无遮挡时可将能量从车窗两侧自动聚焦于中央区域；当一侧被金属物体遮挡时，未被遮挡的另一侧波束则利用自加速特性，继续为被遮挡区域的接收端输送信号，展现出极强的环境适应性和鲁棒性。实测相位分布与理论计算高度吻合，清晰验证了相邻波瓣间180°相位交替的结构特征。
高清图像“穿越”障碍，误码率骤降至1%以下
理论模拟与近场测量固然漂亮，但真正的考验来自真实车厢。团队搭建了一套完整的4.9 GHz（5G NR N79频段）无线通信测试系统，以传输高清RGB图像为任务，对比在有金属障碍物时，系统有无透明超表面辅助的性能差异。
结果令人振奋：
误码率（BER）断崖式下降： 当接收天线紧贴障碍物后方0.15米时，未使用超表面的系统误码率高达50%，图像完全无法解码。而有了透明超表面辅助，误码率骤降至1%以下，图像被清晰重建。
信号功率显著增强： 在后窗有金属障碍物遮挡的场景下，集成超表面的系统为接收端带来了平均8.37分贝的功率增益。这意味着即便在信号原本几乎被完全阻断的区域，通信链路依然能保持稳健。
通信质量全面提升： 从接收信号的星座图可以直观看到，在超表面帮助下，原本因障碍物干扰而发散、模糊的信号点变得紧密清晰，这直接转化为更低的误码率和完美的图像还原质量。
从智能车窗到泛在透明的电磁新世界
这项研究不仅为当前智能网联汽车内部无线通信提供了一种低成本、易集成、高性能的工程方案，更展示了将“非衍射波束”与“光学透明超表面”深度融合的巨大潜力，为未来6G智能电磁环境的构建开辟了新路径。
值得一提的是，研究采用的PET基底和PVC夹层工艺具备良好的机械柔性和热稳定性（耐受200°C高温），完全可与汽车安全玻璃的PVB/EVA夹层生产工艺兼容，实现产业化无缝对接。这意味着，未来汽车出厂时，其挡风玻璃即可天然具备智能信号中继功能。
展望更远的未来，这种可共形、高透明的智能电磁界面有望拓展至更多领域
智能建筑： 集成于玻璃幕墙，在不影响采光的前提下增强室内5G覆盖或优化楼宇间无线回传。
工业物联网： 在复杂金属厂房内，为AGV小车和传感器提供不受遮挡的可靠连接。
生物医疗： 用于需要无菌、透明观察窗且同时进行无线数据监控的医疗隔离舱。
从“透明”到“智能”，一块普通的玻璃被赋予了操控电磁波的能力。这项研究成果不仅标志着我国在超表面与无线通信交叉领域再次取得原创性引领，也让我们对未来“万物智联、无障不通”的数字世界充满期待。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag083
