技术摘要：
提供了一种非互易微波网络，其包括具有邻接的偏振适配器[1002、1004、1006、1008]的直列铁磁元件[1010]以经由在铁氧体处或铁氧体附近的多模交互实现定向，以充当新类别的4端口环行器或2端口隔离器，其中标准波导输入用于较大网络中的组件。
背景技术：
作为保护网络的非互易电路的使用在几乎所有高功率微波(HPM)系统中无处不 在。诸如环行器和隔离器之类的此类设备的现有设计是单输入模设备，并且通常通过法拉 第旋转或功率消除来利用波导中的铁磁介质以实现适当的定向。例如，传统的Y结环行器利 用矩形波导中的单个基模，其用于在包含非互易元件的网络内激励两个相对传播的回旋 (gyrotropic)模。因此，设备的尺寸很大程度上取决于铁氧体的各向异性程度，因为它涉及 在每个模之间所需的差分相移。因而，适度紧凑的系统必须采用高度各向异性的材料，这固 有地增加了材料的损耗和对自旋波的敏感性。这些材料限制与铁磁材料的所需尺寸和放置 相结合，通常将限制这些保护电路在S频带下输入低于20MW的功率。 进一步推进HPM技术，尤其是在正常传导射频(normal  conducting  radio  frequency，NCRF)加速器和反电子应用的领域中，需要能够处理 100MW峰值功率的保护元 件。为了以成本有效的方式实现这些操作目标，应用超模(over-moded)网络，其在铁氧体的 任一端上具有至少两个或更多个输入和输出模。经由对通用散射矩阵的分析，多个模的应 用被证明是能够减少物理端口数量并改善系统的整体功率处理的方法。
技术实现要素：
几乎所有高功率微波放大器使用隔离器或环行器来保护昂贵的微波源免受有害 反射功率的影响。该保护单元通常是确定能够递送多少功率(即，到加速结构)的限制因素。 本发明人已经证明，通过使用多个输入模，可以将精确调谐的直列铁氧体元件用于替代常 规环行器和隔离器，同时还改善功率处理和紧凑性。 根据本发明的原理，单个输入模在非互易元件内激励两个唯一的回旋模，每个所 述回旋模以方位角围绕外部偏置场(分别为左手和右手感应)的轴线的方式行进。 根据本发明的一个方面，非互易网络支持到在周围的超模波导中的正向(透射)和 反向(反射)传播模两者的对称耦合。来自铁氧体的部分反射自然地分离入射的功率，使得 仅可以通过应用多个正交输入模来实现完全的定向(透射或反射)。 非互易元件可以是实心盘(圆柱形)或板(矩形)，其还可以用作物理屏障。这在一 些应用中是有用的，例如，在高功率负载需要在真空和水之间的屏障的情况下，或在真空/ 空气界面需要屏障的情况下。在该类型多功能角色中使用网络将制造独特紧凑的微波设 备。 非互易元件可以是调谐到形状场的部分填充的(环形或杆)形状。这可以消除场增 强(三相点(triple  points))并分配坡印廷通量(Poynting  flux)(入射功率中只有一些通 过铁氧体)。 3 CN 111727528 A 说　明　书 2/9 页 在本发明的另一方面，进入和离开铁磁元件的波导的横截面是圆柱形、矩形、或椭 圆形，并且能够支持两个或更多个模。 在本发明的又一方面，这些输入和/或输出波导被馈送到微波偏振器或等效的混 模转换器中，能够区分每个支持的模的相对相位并且相应地引导微波功率流。 此概念可以用于对包括环行器、隔离器、以及移相器的所有高功率电子设备而言 至关重要的设备阵列。所有这些设备被广泛用于加速器系统、科学研究、工业工艺和防御应 用中以保护装备和减轻故障。 具有相应模转换器的非互易网络可以用作4端口微波环行器(在网络的每一侧上 有一个模转换器)、4端口可调谐微波耦合器/移相器(在网络的每一侧上有一个模转换器)、 2端口可调谐移相器(在网络的一侧上有一个模转换器、在另一侧上短路)、或2端口隔离器 (在网络的一侧上有一个模转换器，在另一侧上有匹配负载)。 可以在不使用磁极片的情况下用永磁体或螺线管来使铁氧体偏置。这允许超快的 电路响应时间并且可以经由外部磁场来为快速开关(对铁氧体反射/透射性质进行迅速调 整)的开发提供理想的平台，以控制非常短时间量级的微波功率流。 在又一方面，具有非互易网络的微波偏振器的整个系统可以串联操作以分配入射 的功率。 在一方面，本发明提供了一种微波非互易网络设备，包括：源波导，所述源波导能 够支持多个输入/输出模；目标波导，所述目标波导能够支持多个输入/输出模；直列非互易 网络，所述直列非互易网络连接到所述源波导和所述目标波导，并且所述直列非互易网络 包括非互易介质元件；其中所述直列非互易网络被调谐成使得多个线性偏振输入模中的每 一个等同地耦合到正向移动和反向移动的所述源波导和目标波导的支持模；其中所述直列 非互易网络适配成根据到所述网络的两个或更多个正交输入信号之间的相对相位差来消 除正向波或反向波。 可选地，所述源波导和目标波导连接到能够基于相对相位将功率引导到标准波导 的无源混模转换器。可选地，所述非互易介质元件用作在两端口隔离器配置或四端口环行 器配置中生成非互易定向。可选地，所述非互易介质元件至少部分地填充所述直列非互易 网络的一个区域，所述区域支持所引导波长的至少一半。可选地，所述非互易介质元件是圆 柱形盘、矩形板、圆柱形环、或矩形环。可选地，所述非互易介质元件的外壳具有圆形、矩形、 椭圆形或同轴的横截面。可选地，所述源波导具有圆形、矩形、椭圆形或同轴的横截面。可选 地，所述目标波导具有圆形、矩形、或椭圆形横截面。可选地，所述非互易介质元件被具有极 片或不具有极片的永磁体和/或螺线管偏置。可选地，所述直列非互易网络包括串联放置的 多个非互易元件以生成期望的定向。可选地，所述非互易介质元件在旋磁谐振的上方或下 方偏置以实现定向。可选地，所述非互易介质元件在旋磁谐振处偏置以实现RF吸收。可选 地，所述非互易元件适配成还用作物理屏障或模转换器。可选地，所述非互易元件是一个连 续件或多个连接或断开的件。 附图说明 图1A示出了具有针对在端口：1处的输入功率和在端口：2和端口：3处的匹配负载 的归一化电场轮廓的高功率微波偏振器的H-平面实施例。 4 CN 111727528 A 说　明　书 3/9 页 图1B示出了具有针对在端口：2处的输入功率和在端口：1和端口：3处的匹配负载 的归一化电场轮廓的高功率微波偏振器的H-平面实施例。 图1C示出了具有针对在端口：1处的输入功率和在端口：2和端口：3处的匹配负载 的归一化电场轮廓的高功率微波偏振器的E-平面实施例。 图1D示出了具有针对在端口：2处的输入功率和在端口：1和端口：3处的匹配负载 的归一化电场轮廓的高功率微波偏振器的E-平面实施例。 图2A-B示出了如通过右手( )和左手(-)回旋模观察到的应变于S-频带 (2.856GHz)下的外部施加的偏置场(H0)的铁氧体磁导率的实部和虚部的图。 图3A-D示出了在圆柱形波导中的设备的四个设计的实施例，其中外部偏置场在Z 方向上(右至左)，包括：(图3A)基本HE11盘，其中铁氧体半径近似等于入射/出射波导的半 径，(图3B)比周围波导大得多的超模盘，(图3C)具有梯形横截面的环配置，以及(图3D)具有 圆形横截面的环配置。 图4A-B示出了图3A所示的基模盘，其具有(图4A)由在垂直方向上的线性偏振模生 成的两个入射模和两个出射模的振幅和相位，并且(图4B)具有由在水平方向上的第二(退 化的)线性偏振模生成的四个模的振幅和相位，其中有90度相位延迟。 图5A-B示出了来自图3A的基模盘实施例，其连接到H-平面微波偏振器，其中(图 5A)描绘了针对端口：1处的输入功率(端口：2/3处的匹配负载)的单元的归一化电场轮廓， 并且(图5B)描绘了针对端口：2处的输入功率(端口：1/3处的匹配负载)的单元的归一化电 场轮廓。 图6A-E示出了图3C的非互易网络实施例，其中梯形横截面包括：(图6A)如图3C描 绘的纵向横截面，(图6B)由左手圆偏振波产生的归一化电场轮廓，(图6C)由左手圆偏振波 产生的磁场的矢量图，(图6D)由右手圆偏振波产生的归一化电场轮廓，以及(图6E)由右手 圆偏振波产生的磁场的矢量图。 图7A示出了来自图1A-B的单个H-平面微波偏振器的经测量的冷测试S-参数的图 表。 图7B示出了通过携载左手圆偏振波的共用的圆柱形波导来邻接的两个H-平面偏 振器的插入损耗。 图8示出了包括连接到来自图3B的超模盘铁氧体的任一端的两个H-平面微波偏振 器的4端口环行器实验设置，该超模盘铁氧体具有围绕系统的大螺线管以生成均匀的偏置 场。 图9A-B示出了(图9A)具有来自图3A的基模盘铁氧体的来自图8的4端口环行器配 置的经测量的插入损耗(S21、S12)和回波损耗(S11、S22)，以及(图9B)与具有大约50kA/m磁场 偏置的HFSS中的模拟值进行比较的经测量的插入损耗。 图10A-D示出了(图10A)具有大约140kA/m磁场偏置的具有来自图3B的超模盘铁氧 体的来自图8的4端口环行器配置的端口：1的经测量的插入损耗(S21)、回波损耗(S11)、以及 功率泄漏(S41)，(图10B)针对相同配置的端口：2的经测量的插入损耗(S32)、回波损耗(S22)、 以及功率泄漏(S12)，(图10C)具有标记的端口(1-4)的实验布局的图以及示出了当RF功率施 加于端口：1时的RF功率的定向的流程图，以及(图10D)具有示出了当RF功率施加于端口：2 时的RF功率的定向的流程图的相同的图。 5 CN 111727528 A 说　明　书 4/9 页 图11示出了与在具有140kA/m应用磁场偏置的HFSS中的模拟值进行比较的图10C- D配置的经测量的插入损耗。 图12A-C示出了(图12A)包括RF源(50MW，S-频带)速调管、来自图10C-D的实验配 置、定向耦合器、以及高功率负载的高功率实验的图，(图12B)来自所述速调管的输入功率、 从端口：1(输入)透射到端口：2(目标)的功率、以及通过铁氧体泄漏到端口：4的功率的图 表，以及(图12C)从端口：1到目标端口：4的输入功率的图表，其中螺线管的极性反转。 图13A-B示出了(图13A)来自图8的4端口环行器配置(没有螺线管)，以及(图13B) 更紧凑的2端口隔离器配置，其特征为靠近铁氧体的永磁体和匹配负载。 图14A-D示出了本发明的实施例，其中铁氧体主要由与铁氧体同心的外部永磁体 阵列偏置。 图15A、B是根据本发明的实施例的示出给定圆偏振模的全透射或全反射的图表。 图15D示出了具有如图14A所示的多个组件(经由它们的标准波导输入串联组装) 的实施例。 图16A示出了实施例，其中非互易元件(铁氧体)本身沿源波导和目标波导串联放 置。 图16B示出了图16A中所描绘的电路的传输带宽。