在无线通信技术迈向更高频段，特别是进入毫米波乃至亚太赫兹频段以寻求更大带宽和更高容量的进程中，系统设计面临一系列严峻的物理挑战。高频信号传播路径损耗显著增大，绕射能力弱，易受障碍物遮挡，这严重制约了通信的覆盖范围和链路稳定性。为克服这些不利因素，必须采用大规模天线阵列，通过波束赋形技术产生高增益、可定向的窄波束，以补偿路径损耗并实现精准的空间信号指向。然而，传统的全数字波束赋形架构，即为每一条天线通道配备独立的射频收发链和模数/数模转换器，在面对大规模阵列时，会带来难以承受的硬件成本、系统复杂度和功耗。这一矛盾构成了高频段通信走向大规模商用的核心瓶颈。为突破此瓶颈，混合波束赋形与智能超表面技术作为两种互补且具变革性的技术路径，正受到广泛关注与研究，它们从不同维度重构了无线信号的空间处理方式。
混合波束赋形技术是一种折中而高效的系统架构。它并非完全摒弃数字波束赋形的灵活性，而是将其与模拟波束赋形相结合，在性能与复杂度之间寻求最优平衡。其核心思想是，将原本需要与天线数量相等的数字数据流，通过一个由移相器等模拟器件构成的射频网络，映射到数量更多的天线阵元上。具体而言，系统采用远少于天线数量的射频收发链，每个收发链通过一个模拟波束赋形网络驱动一个子阵列。数字波束赋形在基带或中频对数量较少的收发链进行高精度的幅相控制，主要完成多用户复用、干扰抑制等需要高灵活度的处理；而模拟波束赋形则在射频域对每个子阵列进行宽波束的指向性控制，主要提供高增益以补偿路径损耗。这种架构极大地减少了昂贵的高频射频链和高速数据转换器的数量，从而显著降低了成本与功耗。其技术挑战在于如何协同设计数字与模拟两级的波束赋形权重。由于模拟部分通常只能实现相位控制（部分架构可实现有限幅度的控制），且相位量化精度有限，因此无法像全数字架构那样自由地合成任意方向的波束。研究人员需要开发高效的联合优化算法，在模拟硬件约束下，设计数字和模拟预编码矩阵，以逼近全数字波束赋形的性能。常见的实现方案包括基于相控阵原理的模拟网络，使用移相器或延时线来调整每个天线单元的相位；以及基于透镜天线等被动结构的空间波束选择方案。混合波束赋形已被视为毫米波通信，特别是在基站和固定无线接入等场景下的主流硬件架构，它为实现大规模天线阵列的高增益定向传输提供了工程上可行的路径。
与混合波束赋形这种“主动”的信号处理方式不同，智能超表面技术代表了一种“被动”但环境交互式的全新范式。智能超表面，本质上是一种二维人工电磁材料结构，由大量亚波长尺度的超表面单元按照特定排列构成。每个单元可以独立地通过可调元件（如变容二极管、微机电开关、液晶或石墨烯等）改变其对入射电磁波的响应，包括反射或透射的幅度和相位。通过一个集中或分布式的智能控制器，可以动态地编程控制所有单元的状态，从而在整体上使超表面具备对电磁波前进行任意塑形和调制的强大能力。当部署在无线通信环境中时，智能超表面不再仅仅是一个简单的反射板或透射板，而成为一个可动态重构无线信道本身的智能代理。其工作原理是，当来自信号源的电磁波照射到智能超表面上时，超表面通过实时计算并设置每个单元的状态，能够将入射波以预定的方式重新辐射出去，例如将信号波束精确地反射向一个或多个目标用户，或者将信号聚焦于特定区域，甚至可以生成多个具有不同指向的波束。
智能超表面技术的优势在于其极高的能效和潜在的低成本。由于它通常由无源的超表面单元和低功耗的控制电路组成，无需复杂的射频收发链和功率放大器，因此自身能耗极低。同时，其制造工艺有望与印刷电路板或半导体工艺兼容，具备大规模生产的成本优势。在应用模式上，智能超表面展现出极大的灵活性。它可以作为中继，在基站与用户之间的视距链路被阻挡时，构建一条非视距的智能反射链路，有效扩展覆盖范围。它可以作为波束赋形的补充或增强，与基站协同，通过联合优化基站波束和超表面反射系数，进一步提升系统容量和覆盖均匀性。它还可以用于抑制干扰，通过调整反射波束的零陷方向，降低对特定区域或用户的干扰。然而，智能超表面的技术挑战同样显著。首先，其单元设计需要在高频段（尤其是毫米波）实现宽频带、低损耗、大相移范围的响应，同时集成快速可靠的可调元件，这在材料和器件层面存在难度。其次，信道获取与波束优化是核心难题。为了精确地控制反射波束，系统需要获取基站到超表面、超表面到用户，以及可能存在的直接链路等多条信道的状态信息。由于超表面本身通常不具备主动收发信号的能力，如何高效、低开销地获取这些信道信息，是一个开放的研究课题。此外，对于由成千上万个单元组成的大规模智能超表面，其控制策略的优化问题维度极高，需要开发低复杂度的实时算法。最后，智能超表面的引入也带来了新的网络架构和协议设计问题，例如其部署位置、与现有网络的融合方式、资源分配与协同机制等。
尽管路径不同，混合波束赋形与智能超表面技术在高频段通信中呈现出深刻的互补性与潜在的融合空间。混合波束赋形主要解决的是发射端和接收端自身的高效、高增益波束合成问题，是提升链路预算的直接手段。而智能超表面则着眼于操控传播环境本身，通过构建有利的无线信道来提升系统性能，是环境智能化的一部分。在实际系统中，两者可以协同工作。例如，一个配备混合波束赋形架构的毫米波基站，可以与部署在覆盖盲区内的多个智能超表面协同。基站利用其数字波束赋形的灵活性服务近区用户或进行多用户调度，同时通过模拟波束赋形产生指向智能超表面的宽波束；智能超表面则将这些信号智能地反射至被遮挡的远区用户。这种混合架构结合了主动发射的精确性与被动环境调制的灵活性，可能形成更强大的异构网络覆盖能力。从技术融合角度看，有研究探索将超表面的概念集成到天线阵列内部，形成“可重构智能表面天线阵列”，即每个天线单元本身就是一个可编程的超表面单元，这或许能将模拟波束赋形的控制自由度提升到新的层次，模糊了传统有源阵列与被动超表面的界限。
