可重構智慧表面（Reconfigurable intelligent surfaces，簡稱 RIS）位於現代無線工程中最有趣的交匯點之一。它們結合了超材料（metamaterials）、電磁（EM）設計、訊號處理與高效能運算，全都是為了一個看似簡單的想法服務。您可以採用一個平坦、低功耗的面板，並使其表現得像一個可控向天線（steerable antenna）。這個前景正是 RIS 與衛星通訊如此相關的原因。低地球軌道（LEO）衛星星系現已成為現實，地面終端設備被要求在更小的封裝中實現更多功能，而 6G 也開始在地平線上成形。RIS 正從研究論文走向實際的天線系統，而模擬正是實現這一目標的橋樑。為了探索該技術目前的發展狀況，達梭系統高科技產業支援總監 Jonathan Oakley 與達梭系統全球高科技產業資深專家 Rodrigo Enjiu 坐下來進行對談，深入討論其物理原理、模擬工作流程以及未來的發展。
什麼是可重構智慧表面？
Jonathan： RIS 目前受到廣泛關注，但這個名詞對不同的人來說有不同的意義。在衛星通訊的脈絡下，您會如何描述可重構智慧表面實際上是什麼，以及為什麼業界現在會關注它？
Rodrigo： 可重構智慧表面是一種超表面（metasurface），屬於超材料的一種。其定義特徵是我們可以對其行為進行工程設計，並且可以主動控制它與入射電磁波的交互作用方式。業界現在會關注的原因是，我們終於擁有大規模製造這些面板的製造技術。現在將它們用於實際應用（例如衛星通訊的地面終端設備）已變得切實可行。
RIS 解決的衛星通訊（SATCOM）問題
Jonathan： 在現代衛星通訊（SATCOM）系統中，特別是對於 LEO 衛星星系或地面終端設備而言，有哪些訊號傳播或覆蓋的挑戰，使得 RIS 成為一項真正有用的技術，而不僅僅是學術上的好奇心？
Rodrigo： 如果您想控制天線的輻射方向，傳統上有兩種策略。 第一種是在機械萬向雲台（mechanical gimbal）上的大型反射面系統。您藉由物理旋轉碟形天線來控制波束的轉向。因為您只有一個反射面傾斜朝向您想要的方向，所以您被限制在單一波束上。
第二種策略是相位陣列（phased array）。您使用較小的輻射器對孔徑進行取樣，每個輻射器都有自己的發射與接收鏈。您可以控制每個元素的輻射方式，它們的貢獻會在您想要的方向上產生建設性干涉。擁有多個通道時，理論上您擁有的主動元素有多少，就能支援多少個波束，因此您可以同時追蹤多個目標。這對於 LEO 衛星星系很重要，因為衛星正在天空中飛越。您需要追蹤它，理想情況下還要有一個次要波束已經指向下一顆衛星，這樣交接（handover）才會順暢。
相位陣列的缺點是複雜性與功耗。所有這些發射與接收鏈加總起來消耗很大。RIS 則是讓您獲得不同的權衡取捨。您不再使用主動天線元素對孔徑進行離散化（discretizing），而是使用反射來自饋源（feed）入射波的「被動單元」對其進行離散化。
這意味著您可能會從十個發射器減少到幾個，同時保持您想要的波束成形行為。這帶來了較低的功耗、較低的外型輪廓（lower profile），並且一旦您設計好了這個表面，它就能根據您放在它前面的任何饋源來調節其響應。它是一個軟體定義的波束成形器。
RIS 在物理上如何運作
Jonathan： 在硬體層面上，表面實際上發生了什麼事？個別的單位晶胞（unit cells）如何與入射電磁波交互作用？又是什麼賦予了這個表面的「智慧」？
Rodrigo： 該表面是透過調節入射波反射的相位分佈來運作。每一個單獨的晶胞，也就是每個像素，都能局部控制反射相位的樣貌。 我們可以透過不同的方式來做到這一點。PIN 二極體、變容二極體（varactor diodes）、電晶體、微機電（MEMS）開關、液晶。PIN 二極體和開關可能是當今使用最廣泛的。面板的智慧來自於我們如何控制每個晶胞、每個晶胞如何切換，以及每個晶胞如何設定其局部的反射相位。
Jonathan： 那麼入射波實際上從哪裡來？
Rodrigo： 它可以來自不同的地方。最傳統的佈局是取代經典的反射陣列（reflectarray）。RIS 是一個平坦的面板，前面放置一個號角天線（horn antenna）或其他輻射器，輻射像普通反射面系統一樣從面板反射出去。饋源也可以用其他方式完成。重點是面板並不在乎，它只是調節您施加在上面的任何波。
模擬的挑戰
Jonathan： 設計一種在單位晶胞層級操縱電磁波的事物，且遍佈一個可能擁有數千個元素的結構，聽起來對運算能力的要求很高。是什麼讓模擬 RIS 與模擬傳統天線或反射面如此不同？
Rodrigo： 答案有兩個層面。有模擬單位晶胞本身的挑戰，還有求解擁有數千個元素的完整面板的挑戰。
對於傳統反射面，甚至對於傳統的相位陣列，我們有非常成熟的模擬方法。對於 RIS，已建立的工作流程較少。
在單位晶胞方面，第一項工作是找到合適的晶胞。您希望在整個感興趣的頻寬內具有相位穩定性（phase stability）與低損耗。這聽起來很簡單。在實務上，這很困難。如果我們採用一個 1 位元相位解析度的 RIS，直覺是：「我會透過開關在晶胞上加載一條延遲線（delay line），當開關打開時，我就能獲得 180 度的相位補償。」在概念上，這是正確的。挑戰在於讓這個 180 度的相位差在整個頻寬內保持穩定，同時還要受到單位晶胞尺寸、元素數量和安裝方式的拘束。並非每個初始設計在加載時都能為您提供這種穩定性。
第二部分是波束成形。對於相位陣列，您可以使用既定方法計算每個元素的振幅與相位，以實現目標波束形狀。對於反射表面，有更多的變數會牽涉其中。饋源的輻射場型（radiation pattern）很重要。每個像素可以呈現的狀態集合是有限的。饋源與面板之間的距離很重要。這裡沒有封閉形式（closed form）的計算。您必須進行最佳化。
跨越尺度的橋樑
Jonathan： RIS 設計似乎位於非常精細尺度的單位晶胞物理學與大型系統層級行為的交匯處。工程師如何管理這種尺度上的跳躍，而模擬又是如何融入該工作流程中的？
Rodrigo： 簡短的答案是，採用專屬的模擬策略。如果您有正確的方法，您可以在一台工作用的筆記型電腦上，於幾秒鐘內求解一個擁有數千個元素的完整尺寸面板。
這種速度正是讓工作流程變得有用的原因。您可以將模擬的面板資料視為合成資料（synthetic data），並將其直接輸入到您的波束成形演算法中。
實務上的工具
Jonathan： 當您針對特定的 SATCOM 情境進行 RIS 設計最佳化時，該模擬工作流程實際看起來是什麼樣子？您使用的是哪些工具和方法，它們之間如何連接？
Rodrigo： 第一步是單位晶胞。我們結合實驗設計（design of experiments, DOE）來探索未加載晶胞的參數設計空間，加上針對我們感興趣的加載狀態的最佳化迴圈。
在實務上，這意味著使用 Process Composer 來編排協調 CST Studio Suite 對單位晶胞的模擬。DOE 迴圈掃描了基板特性、幾何特徵、單位晶胞尺寸。然後，對於每個候選者，我們檢查一旦加載了延遲線，該晶胞是否能在整個頻寬內提供穩定的相位反射與低損耗。我們從這個候選池中挑選出最好的設計。
對於完整的面板，我們切換了工具。現在我們轉向一個在背景使用 WASP Net 技術的工作流程。WASP Net 是 SIMULIA 產品組合中專屬的電磁軟體之一，最初是為了解決電氣尺寸非常大的問題（如反射面系統和開槽導波管天線等）而建構的。我們最近在 WASP Net 中加入了一個專屬求解器，專門用來處理 RIS。
藉助它，我們模擬面板如何與實際的饋源（在我們的範例中為號角天線）進行交互作用，以及每個像素狀態如何影響反射波。一個擁有超過一千個元素且具備可用位元數相位解析度的面板，在筆記型電腦上幾秒鐘就能求解。
建立對模擬資料的信心
Jonathan： 在投入生產之前，我們如何建立對模擬資料的信心？
Rodrigo： 第一步是數值驗證。我們在 SIMULIA 很幸運，有一系列求解器可供選擇。有些在完整面板的尺度下執行得較慢。它們的補償方式是讓我們可以載入一個沒有任何簡化的完整波束成形器模型，並執行單一情境，即一個特定的相位分佈。
然後我們將這些結果與我們在 WASP Net 中執行的快速方法進行比較。兩種完全不同的數值技術、兩種不同的網格、兩種不同的模型建構策略。當曲線完全重合時，這就是我們建立信心的方式。
這種類型的交叉驗證特別重要，因為單位晶胞方法本身包含了一些假設。我們將每個晶胞視為相同的，被無限多個相同的相鄰晶胞包圍，且全都處於相同的狀態。在真實的 RIS 上，這並不完全正確。不同的像素處於不同的狀態。更準確地說，RIS 是一個準週期結構（quasi-periodic structure）。驗證步驟，加上圍繞單位晶胞的最佳化循環，是我們確保該假設可靠的方式。
模擬仍然不足之處
Jonathan： 目前用於 RIS 設計的電磁模擬有哪些限制？現今是否還有難以捕捉的物理效應、環境因素或系統層級交互作用？
Rodrigo： 有幾件事。我剛才描述的單位晶胞技術有其前提（一個無限的、均勻激發的週期環境），這對於真實的 RIS 來說並不完美成立。這是我們牢記在心的一個限制，也是驗證之所以重要的一個原因。
另一個巨大的挑戰是系統層級的整合。客戶正朝著真正低外型輪廓的天線、非常薄的封裝推進，在這種情況下，饋源、RIS 和雷達罩（radome）全都堆疊成單一個緊湊的地面終端設備。這在今天很難進行端對端的建模。我們可以非常好地模擬 RIS 作為傳統反射陣列的替代品。我們還無法模擬客戶正在設想的每種整合堆疊。我們正在為此努力，並期望在未來一年內縮小這個差距。
未來的道路
Jonathan： 在更廣泛的層面上，您認為 RIS 技術將走向何方？您又期望模擬工具與工作流程如何演進以跟上步伐？
Rodrigo： RIS 基本上是傳統天線陣列的一種替代方案，被用作天線系統內部的波束成形機制。只要您希望具備隨時間重塑波束的靈活性，且使用的通道數量比完整的主動基地台少（舉例來說），並且具有低得多的功耗，它就會非常具有吸引力。
衛星通訊是一個明顯的案例。放眼未來，6G 正逐漸成形為一個網路的網路（network of networks），而衛星通訊是其中的一部分，RIS 恰好符合這個願景。在網路邊緣也有一個強而有力的案例。您可能會希望在一個無法提供充分理由設置完整主動天線單元的區域中，或者在功率限制排除該選項的地方，額外增加基地台的存在。基於 RIS 的天線可以填補這些空白。
在模擬方面，答案是肯定的，工具將會跟上步伐。我們已經在為此努力。對於業界如何在真實天線系統中使用 RIS 有著更清晰的視野，再加上我所提到的速度與整合挑戰，兩者的結合正指向整個 SIMULIA 產品組合中額外的工作流程與額外的求解器。如果您想使用合成的模擬資料來訓練波束成形模型，這種速度就特別重要，而這也是我們看到客戶正在前進的方向。
結語
從這段對話中凸顯出的是，RIS 在很大程度上仍然是一個模擬的問題。硬體概念非常優雅。波動物理學也很有趣。然而，關鍵優勢在於能夠設計單位晶胞，針對完整的物理特性進行驗證，然後夠快地驅動一千像素的波束成形最佳化，以便真正進行迭代。正是這種結合，將 RIS 從一個巧妙的表面轉變為下一代衛星通訊與 6G 天線的實用建構模塊。
如果您想了解更多資訊，Rodrigo 已經發表了一系列深入的網路研討會，包含《可重構智慧表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces）》，可供隨選觀看。《探索未來：6G 與先進天線系統（Exploring the Future: 6G and Advanced Antenna Systems）》則針對新興技術與先進天線系統如何影響無線技術的未來，提供了更宏觀的視角。
文章轉載來自：Reconfigurable Intelligent Surfaces and the Future of Satellite Communication