本发明属于阵列天线和新型人工电磁超表面，尤其涉及一种全空间可编程的圆极化超表面及其控制方法，本发明的圆极化超表面具有良好的极化隔离和较宽的工作带宽，可确保超表面在反射空间和透射空间同时实现不同的电磁功能，在无线通信、雷达成像、信号处理等领域都有重要的应用前景。
背景技术：
1、超表面是一种由亚波长单元周期排布构成的新型人工电磁材料，具有低剖面、易加工等优点。通过设计亚波长单元的结构和排布，引入不连续的相位和幅度分布，可以对电磁波进行多维度调控，实现异常反射(折射)、电磁隐身、微波成像等功能，在天线设计、雷达探测、通信等领域有很高的应用价值。与仅工作在反射或透射区域的电磁超表面相比，全空间电磁超表面可以同时调控超表面上亚波长结构单元的反射和透射的相位空间分布，从而实现对透射和反射电磁波的同时调控。
2、崔铁军教授课题组在2021年实现了一种全空间可编程的线极化超表面单元，将开关二极管放置在两个正交的线极化方向上，通过改变入射波的极化方式可实现对反射电磁波和透射电磁波的独立可操控。后续也有一系列的工作实现了全面空间编程的超表面，然而，到目前为止，全空间可编程的超表面都是线极化的，全空间可编程的圆极化超表面还未有研究者提出。实际上，相对于线极化超表面，圆极化超表面在卫星、雷达和车载通信等领域具有更广泛的应用场景。
技术实现思路
1、解决的技术问题：本发明公开了一种全空间可编程的圆极化超表面及其控制方法，构成超表面的基本单元具有同时独立调节透射圆极化和反射圆极化相位的能力，为电磁波的调控提供了更大的自由度，拓展了全空间可编程超表面的应用场景。
2、技术方案：
3、一种全空间可编程的圆极化超表面，所述圆极化超表面由m×n个基本单元周期排列构成，m为超表面沿y轴方向的基本单元个数，n为超表面沿x轴方向的基本单元个数；
4、每个基本单元由依次堆叠的第一金属层(1)、第一介质层(7)、第二金属层(11)、第一粘合层(16)、第二介质层(8)、第三金属层(12)、第二粘合层(17)、第四金属层(13)、第三介质层(9)、第三粘合层(18)、第五金属层(14)、第四介质层(10)和第六金属层(15)构成；第一金属盲孔(3)和第二金属盲孔(4)连接第一金属层(1)和第二金属层(11)，第三金属盲孔(6)连接第一金属层(1)和第三金属层(12)，第四金属盲孔(21)连接第四金属层(13)和第六金属层(15)，金属化通孔(5)连接第一金属层(1)和第六金属层(15)；反射二极管(2)焊接在第一金属层(1)上，第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)焊接在第六金属层(15)上；
5、所述基本单元的第三金属层(12)为第一扇形金属贴片(22)和沿x方向的第一馈线(23)的组合，第一馈线上加载第一偏置电压来控制反射二极管(2)的工作状态，使右旋圆极化入射的电磁波自旋锁定地反射为右旋圆极化波；
6、所述基本单元的第四金属层(13)为第二扇形金属贴片(24)和沿负x方向的第二馈线(25)的组合，第二馈线上加载第二偏置电压来控制第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态，第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)为反向并联相接，工作状态相反；当第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)工作状态切换时，透射的交叉极化电磁波的相位随第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态变化进行切换。
7、进一步地，所述基本单元周期为14mm；第一介质层(7)的厚度为3mm，第二介质层(8)和第三介质层(9)的厚度都为0.254mm，第四介质层(10)的厚度为1.5mm，第一介质层(7)、第二介质层(8)、第三介质层(9)和第四介质层(10)的介电常数均为3.5，正切损耗角为0.0023；第一粘合层(16)的厚度为0.1mm，第二粘合层(17)的厚度为0.2mm，第三粘合层(18)的厚度为0.1mm，第一粘合层(16)、第二粘合层(17)和第三粘合层(18)的介电常数均为3.52，正切损耗角为0.004。
8、进一步地，所述第二金属层(11)位于第一介质层(7)和第一粘合层(16)之间，作为金属地平面用来反射右旋圆极化的入射电磁波，金属化通孔(5)不与第二金属层(11)和第五金属层(14)接触，直接连接第一金属层(1)和第六金属层(15)，使基本单元将入射的左旋圆极化转为右旋圆极化进行透射。
9、进一步地，所述基本单元上的反射二极管(2)处于工作状态时，右旋圆极化入射的电磁波自旋锁定地反射为右旋圆极化波，且反射相位会随着反射二极管(2)工作状态变化进行切换，反射相位相差约为180度。
10、进一步地，当第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)工作状态切换时，透射的交叉极化电磁波的相位会随第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态变化进行切换，透射相位相差约为180度。
11、进一步地，所述基本单元上的反射二极管(2)工作状态为on或off时，定义单元反射编码为1或0；当基本单元上的第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态为on、off或off、on时，定义单元透射编码为1或0，透射编码与反射编码相互独立，同时进行编码设计。
12、进一步地，所述圆极化超表面的相位分布设计标准为：
13、
14、式中：i，j为超表面的基本单元的平面序号，i＝1，2…m，j＝1，2…n，m为超表面沿y轴方向的基本单元个数，n为超表面沿x轴方向的基本单元个数，xij和yij为第(i，j)个基本单元的二维坐标，θ和为波束辐射方向的俯仰角和方位角，f为几何中心与馈源相位中心的距离。
15、进一步地，所述圆极化超表面将所得的反射相位分布和透射相位分布离散化为1比特相位分布，根据反射和透射的编码规则，得到反射二极管(2)、第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态，以独立地操控反射和透射区域的电磁波。
16、进一步地，所述可编程表面的反射和透射编码的功能切换由现场可编程门阵列fpga控制。
17、第二方面，本发明提出了一种全空间可编程的圆极化超表面的控制方法，所述圆极化超表面采用如前所述的圆极化超表面；所述控制方法包括以下步骤：
18、在左旋圆极化和右旋圆极化波的情况下，分别仿真得到透射系数幅度相位与第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的变化关系，以及反射系数幅度相位与反射二极管(2)的变化关系；
19、计算入射波到达每一个基本单元时的反射相位分布和透射相位分布，分别生成相互独立的反射相位调控对应的反射编码和透射相位调控对应的透射编码；
20、根据反射编码和透射编码，得到反射二极管(2)、第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态切换方案，通过调控第一偏置电压和第二偏置电压，以独立地操控反射和透射区域的电磁波。
21、有益效果：
22、第一，本发明的全空间可编程的圆极化超表面及其控制方法，构成超表面的基本单元具有同时独立调控反射和透射相位的能力。当入射电磁波为右旋圆极化时，反射的右旋圆极化波相位响应可以通过反射二极管的工作状态进行调制；当入射电磁波为左旋圆极化时，超表面单元将左旋圆极化波转化为右旋圆极化波进行透射，并且透射电磁波相位响应可以通过透射二极管的工作状态进行调制；反射和透射的相位响应相互独立，具有良好的极化隔离度。
23、第二，本发明的全空间可编程的圆极化超表面及其控制方法，扩展了全空间超表面应用场景，与现有的全空间可编程超表面相比，本发明将线极化全空间可编程超表面拓展至了圆极化全空间可编程超表面，推动了全空间可编程超表面的发展。
1.一种全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述圆极化超表面由m×n个基本单元周期排列构成，m为超表面沿y轴方向的基本单元个数，n为超表面沿x轴方向的基本单元个数；
2.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述基本单元周期为14mm；第一介质层(7)的厚度为3mm，第二介质层(8)和第三介质层(9)的厚度都为0.254mm，第四介质层(10)的厚度为1.5mm，第一介质层(7)、第二介质层(8)、第三介质层(9)和第四介质层(10)的介电常数均为3.5，正切损耗角为0.0023；第一粘合层(16)的厚度为0.1mm，第二粘合层(17)的厚度为0.2mm，第三粘合层(18)的厚度为0.1mm，第一粘合层(16)、第二粘合层(17)和第三粘合层(18)的介电常数均为3.52，正切损耗角为0.004。
3.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述第二金属层(11)位于第一介质层(7)和第一粘合层(16)之间，作为金属地平面用来反射右旋圆极化的入射电磁波，金属化通孔(5)不与第二金属层(11)和第五金属层(14)接触，直接连接第一金属层(1)和第六金属层(15)，使基本单元将入射的左旋圆极化转为右旋圆极化进行透射。
4.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述基本单元上的反射二极管(2)处于工作状态时，右旋圆极化入射的电磁波自旋锁定地反射为右旋圆极化波，且反射相位会随着反射二极管(2)工作状态变化进行切换，反射相位相差约为180度。
5.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，当第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)工作状态切换时，透射的交叉极化电磁波的相位会随第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态变化进行切换，透射相位相差约为180度。
6.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述基本单元上的反射二极管(2)工作状态为on或off时，定义单元反射编码为1或0；当基本单元上的第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态为on、off或off、on时，定义单元透射编码为1或0，透射编码与反射编码相互独立，同时进行编码设计。
7.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述圆极化超表面的相位分布设计标准为：
8.根据权利要求7所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述圆极化超表面将所得的反射相位分布和透射相位分布离散化为1比特相位分布，根据反射和透射的编码规则，得到反射二极管(2)、第一透射二极管(19)和第二透射二极管(20)的工作状态，以独立地操控反射和透射区域的电磁波。
9.根据权利要求1所述的全空间可编程的圆极化超表面，其特征在于，所述可编程表面的反射和透射编码的功能切换由现场可编程门阵列fpga控制。
10.一种全空间可编程的圆极化超表面的控制方法，其特征在于，所述圆极化超表面采用如权利要求1-9任一项所述的圆极化超表面；所述控制方法包括以下步骤：
