微波隔离器与环流器

在微波能量传输系统中，有时需要对微波能量进行隔离或定向传输，这时就需要配置微波隔离波导或微波能量定向传输波导（环流器）。例如，在医用电子直线加速器上，当从微波源（磁控管或速调管）向加速管输送微波能量时，为了防止因微波反射而影响微波源的正常工作，就必须在微波源与加速管之间安装微波隔离器，其作用是只允许正向微波能量通过，禁止反射波的通过（参见本篇图2-7-3和图2-9-4）。其实，微波隔离器与环流器都是特殊的波导器件，其关键技术是利用了铁氧体材料的各向异性特点而研制成功的。

铁氧体是由铁氧化物和金属氧化物混合烧结后制成的黑褐色陶瓷状磁介质材料（又称黑磁）。和金属材料相比它具有很高的电阻率（106～1011Ω/cm）。就其导电性能而言，铁氧体接近绝缘体，因而电磁波可以伸入到铁氧体内部产生磁效应。微波能量在其内传输时介质损耗很小，这是比金属可贵的一种特性，也是与其他铁磁性材料的重要区别。铁氧体这一特性在微波元器件中得到广泛的应用

另外，铁氧体加上恒定磁场后，对微波在各个方向上会表现出不同的磁导率，利用这一特点，可以制成传输特性不可逆的微波传输器件。铁氧体隔离器和环流器就是这一特性在微波传输系统中的典型应用。其中，隔离器是两端口单向传输的微波器件；环流器是多端口定向传输的微波器件，使用最多的是三端口和四端口环形器。下面进行分别介绍。

（一）微波隔离器

微波隔离器的种类很多。按传输线类型可分为波导型、同轴型、微带型等不同传输形式的电磁波隔离器。其中波导型适用于微波能量的传输；而同轴型和微带型适用于微波信号的传输。在医用电子直线加速器中，需要的主要是微波能量的传输与隔离，因此，这里只介绍波导型微波隔离器。波导型谐振场移式铁氧体隔离器结构原理图，见图2-9-34。

图中所示的隔离器，是在矩型波导管内离窄边适当距离的宽边上设置两条轴向铁氧体材料，并在波导管外安置永久磁铁，让铁氧体宽边垂直的方向上形成恒定偏置磁场。

当微波沿波导管正向传输时，将产生正、反向电场的场移现象（图2-9-35）。由于正向磁导率很小，使TE10波的场强最大值的位置在铁氧体上向右略有偏移，对微波能量的影响很小，可以正常传输；而对反向传输的微波，由于磁导率很大，致使TE10波的场强分布向左产生很大偏移，其最大点落在铁氧体上，将使微波能量集中于铁氧体附近，大部分反射波的能量消耗在铁氧体上。这种由横向磁化铁氧体引起的场强分布偏移现象称为“场移效应”，利用这种效应做成的单向传输器件就称为场移式隔离器。

图2-9-34　谐振场移式铁氧体微波隔离器结构

图2-9-35　不可逆场移效应

隔离器又称单向器，它是一种单向传输微波能量或微波信号的微波传输器件。当微波沿正向传输时，可将微波功率或微波信号全部输送给微波负载；而对来自负载的反射波则产生很大的抑制与衰减作用。正是利用了这种单向传输特性，我们可以用来隔离由于负载变动会对微波源产生的不利影响。

除了场移式微波隔离器之外，还有法拉第旋转式微波隔离器，这两种隔离器都是微波传输系统中常用的微波能量或微波信号隔离器件。两者的结构与工作原理有别，但隔离效果基本是一样的。

对大功率微波隔离器来讲，除了正向波会产生一定的热损耗之外，由于反射波能量在铁氧体内被吸收要变成热能损耗，其结果也会造成隔离器温度急剧升高，不及时降温会影响微波传输，甚至会烧坏隔离器。因此，必须采取可靠的冷却恒温措施。一般是紧贴隔离器波导管窄边的外表附设冷却水管，通过水循环将热量及时带走。

隔离器外加的磁场一般都是采用永久磁铁，磁场变化会引起频带变化，会导致隔离器性能变坏，因此一般不要在其周围搁置强磁性材料，以免引起磁性变化。另外，一般也不宜使用铁质工具装卸，以免造成引力冲击。

（二）三端口环流器

不论端口多少，环流器也有波导型、同轴型、微带型等不同的传输形式。同样原因，我们在这里也只介绍能量传输系统中的波导型环流器。

三端口环流器的结构原理与外形实例，见图2-9-36，由于三个分支波导交汇于一个微波结上，故三端口环流器也称为“结”型环流器。

图2-9-36　三端口环流器

图2-9-36A为三端口对称（各臂间隔120°）的分支结构，所以又称Y形环流器。该环流器内置有一个圆柱形铁氧体柱，为了使电磁波产生场移效应，通常在铁氧体柱上沿轴向施加恒磁场H0。根据前述场移效应原理，被磁化的铁氧体将对通过的微波产生场移效应，并遵循图2-9-36A中所标注的数字顺序，按照端口1→端口2→端口3→……→端口1的规律传输。即：当微波能量由端口1注入时，由于场移效应的作用，它将向端口2方向传输，端口3方向没有能量输出；同样道理，当微波能量由端口2方向注入时，由于场移效应的作用，它将向端口3的方向传输，端口1方向没有能量输出；以此类推，该环形器将具有向右定向传输微波能量的特性。不难理解，若将一个三端口环流器中的一端（例如3端）用匹配负载短接，就可以构成一个微波能量隔离器。

考核三端口环流器性能的是“插入损耗”和“隔离度”两项技术指标，见式2-9-19和式2-9-20：

可见，与定向耦合器中定义的“耦合度”与“方向性”（见式2-9-17和2-9-18）具有相同的物理意义。显然，插入损耗越小，说明微波传输端口方向的能量损耗越小；而隔离度越大，则说明另一个端口方向的微波泄漏就越小。我们当然是希望插入损耗越小越好，而隔离度越大越好。通常情况下，三端口隔离器的插入损耗和隔离度分别为0．15dB和20dB。

（三）四端口环流器

四端口环流器既可以隔离微波能量，也可以进行功率分配，是医用驻波电子直线加速器微波传输系统中的关键波导器件之一。四端口环流器的工作原理与外形结构，见图2-9-37。

图2-9-37　四端口环流器

图2-9-37中所示的四端口环流器其实是由一个双T接口、一个移相器和一个耦合器构成的。其结构原理见图2-9-37A，图中A-B面左侧为一个等效双T接口；A-B面与C-D面之间构成一个移相器；C-D面右侧就是一个耦合器。现对工作原理分析如下。

当从端口1输入振幅为E0的微波（TE10模）时（参见图2-9-4），由于双T（H-T分支）特性，在A-B面上，上下两个波导管内必然会有振幅相同、相位相同的TE10模式的微波通过，数学表达见式2-9-21：

当微波经过A-B面与C-D面之间的移相器而到达C-D面时，会产生C测波导管内的微波比D测波导管内的微波超前90°但振幅相同的效果，其数学表达见式2-9-22：

微波穿过C-D面之后，由于耦合作用，在端口2与端口4出口处会分别产生如式2-9-23 和2-9-24所示的耦合电场：

在端口2与端口4出口处的叠加结果可用式2-9-25表示：

可见，微波能量全部从端口2输出，而端口4没有微波输出，这正是我们所需要的微波传输效果。类似分析可知，在四端口环流器中，微波功率的传递规律是按1→2→3→4顺序进行的，即1口入→2口出、2口入→3口出、3口入→4口出。但如果外加磁场方向反转，则顺序也将反转。

四端口环流器在驻波医用电子直线加速器微波传输系统中的连接方式，见图2-9-38。

图2-9-38　四端口环流器在驻波加速器中的连接

由图2-9-38可见，四端口环流器在驻波加速器微波系统中的连接方式是：端口1接微波源（磁控管或速调管），端口2接加速管，端口3和端口4分别联接大功率水负载和小功率负载。加速器工作时，微波功率经波导管从端口1进入四段环流器，然后从端口2输出，经波导管注入加速管内建立驻波加速电场；当有微波反射时，反射功率不会反射到微波源，而是进入端口3所连接的大功率吸收负载内消耗掉，小部分微波功率会从端口3再反射到端口4消耗。这样，虽然有微波反射，但不会影响微波源的正常工作。由于四端环流器可以承受比三端环流器更大的微波功率，所以更适合在失配时反射功率较大的驻波加速器上应用。