大功率微波网络子系统主要用来抑制接收带内噪声、功放输出的谐波、无源交调、天线与负载工作状态的切换，监测输出功率和天线的反射功率等，也是高功放必不可少的重要子系统。

大功率微波网络子系统组成

大功率微波网络子系统由大功率弧光保护器、大功率定向耦合器、大功率环行器、大功率电动波导开关、大功率谐波滤波器、大功率收阻滤波器等组成，如图3-26所示。

大功率弧光保护器检测速调管及大功率微波网络有无打火，一旦出现打火则大功率弧光保护器便输出一TTL电平将射频输入信号抑制并断掉高压，以保护速调管及大功率微波网络不会损毁。大功率单定向耦合器1检测大功率微波网络及天线的反射功率，一旦反射功率过大，检波控保电路便可立即产生1个射频抑制信号将射频抑制，以保护速调管及大功率微波网络。大功率环行器1起隔离和匹配作用，可将其后面装置引起的反射功率引到负载上消耗掉。大功率三定向耦合器中两正向耦合用于检测速调管功放的输出功率，反向耦合用于检测反射功率的大小。大功率电动波导开关在开关控制单元控制下，完成输出功率向天线或是向负载的切换。大功率谐波滤波器滤除高功放输出的谐波。大功率收阻滤波器滤除高功放输出的接收带内的噪声。大功率环行器2起到2组滤波器间的隔离和匹配的作用，以避免滤波器特性变差，其第三端输出用于检测天线的反射功率。大功率单定向耦合器2用于检测高功放最终的输出功率和信号的质量。

S频段超大功率环行器

大功率隔离器、环行器是功率微波系统中必不可少的关键器件。它们在系统中起保护功率源、实现通道转换的作用。尤其在速调管等大功率源的输出端，作为大功率发射天线与前级功放之间的隔离是此类器件最常用、最主要的使用场合。

大功率环行器的设计难点是如何解决器件的功率承受能力，主要是铁氧体的功率承受能力。环行器中铁氧体因损耗引起发热，当铁氧体参数选择不当而温升过高时会导致器件性能下降甚至失效。因此承受功率高、损耗低的旋磁铁氧体材料的制作和参数选择是大功率器件的关键技术。

散热技术是大功率波导环行器的另一个关键技术。大功率波导环行器中，由于插损使旋磁铁氧体温度升高，可能造成环行器性能从最佳处发生漂移以至损坏旋磁铁氧体。散热结构和散热方式是大功率波导环行器设计必须要考虑的。

工作原理

波导Y结环行器如图3-27所示。

在一个端口激励时，沿旋磁样品的轴向传播相反旋转的场模（TM₁₁₀）在被磁化的旋磁样品的非互易效应（μ±k）作用下，2个模的传播常数不同，其相位产生分裂，另外还存在第三个所谓同相位模。当组件、变换器、外磁场等参数合适时，3个模在另外两端口产生120°相差。若在一个端组装上适当的负载，则可实现环行和隔离作用。

功率容量设计

高功率器件在设计时必须考虑功率容量。功率容量与器件所采用的铁氧体旋磁材料特性紧密相关。因为高峰值功率下，电磁能量可以通过电磁量子→非一致进动自旋波→晶格振动的方式，和声子产生耦合，从而转化为热能耗散掉，产生所谓非线性损耗。电磁量子→非一致进动自旋波转化过程可以用以下量子过程说明：

hω₀为电磁能量的量子化，hk₀为电磁动量的量子化，ω₀、k₀为电磁波的角频率和波数，类似地，hω_k为非一致进动自旋波能量的量子化，hk_k为非一致进动自旋波动量的量子化，二者的角频率和波数满足各自的波谱曲线。显然上述过程其实是能量守恒和动量守恒式。通过进一步的分析可以知道，非线性损耗的产生和非一致进动自旋波的非稳定增长相关，即当输入的峰值功率达到某一临阈场后，非一致进动自旋波幅度将随时间成指数急剧增加，从而电磁能量急剧地将转化为热量。

为提高环行器的峰值功率容量，同时避开非线性损耗，并降低PIM噪声，提高临阈场显得至关重要。提高旋磁铁氧体材料自旋波线宽ΔH_k，降低旋磁铁氧体材料磁矩4πMs是提高环行器峰值功率、避开非线性损耗的重要途径。图3-28是环行器在不同ΔH_k下输入功率和输出功率之间的关系曲线。

要提高环行器的平均功率容量，对于微波铁氧体材料而言，主要取决于材料的居里温度、温度系数以及散热设计。要提高承受功率能力，首先必须选择居里温度高、温度稳定性好的材料，以免环行器在高功率下出现过热、温度上升、工作点漂移而失效；同时应尽可能降低插入损耗，避免功率过多地转换为热量作用于材料，否则既降低了承受功率能力，又使器件温升过高。利用Ansoft软件对器件内部，尤其是铁氧体基片内部和边缘电磁场分布进行仿真和分析如图3-29所示。根据仿真和分析结果修正上述初步设计参数，使铁氧体基片内部和边缘电磁场不至于过强，同时选用适当的铁氧体样品，从设计上提高器件的功率容量。

利用仿真分析，对设计完成的器件的功率容量进行了理论验证。当在波导环行器上施加40kW峰值功率时，波导腔的最大电场强度为8.4×10⁵V/m，还未达到空气击穿场强3×10⁶V/m。由于铁氧体样品的击穿场强更高，而器件中铁氧体样品最大电场强度还要小一些，所以，从理论上证明了器件功率容量是有足够余量的。

散热设计

散热技术是大功率波导环行器的另一个关键技术。大功率波导环行器中由于插损使旋磁铁氧体温度升高，可能造成环行器性能从最佳处发生漂移以至于损坏旋磁铁氧体，导致环行器失效。因此，应尽可能减小温升。

减少温升的常规办法是采用液冷，同时在满足性能的前提下尽可能使旋磁铁氧体薄。BJ22的波导环行器由于波导尺寸大，相应地所采用的旋磁铁氧体尺寸也很大，直径约60mm，而厚度只有2mm。大尺寸薄旋磁铁氧体在加功率情况下由于温度梯度的关系，很容易破裂产生尖角，引起打火。在设计中开创性地采用了多块旋磁铁氧体阵列组合的方式，解决了大尺寸薄旋磁铁氧体因温度梯度产生应力而破裂的问题。

对于散热结构，也采用了COSMOS软件仿真优化设计来验证在大功率条件下结构温升是否满足使用条件，图3-30为功率20kW、损耗0.15dB、水冷条件下的热仿真图。从仿真图看出，输入端旋磁铁氧体温升最高，表面温度约105℃，负载端旋磁铁氧体温度最低只有85℃。旋磁铁氧体居里温度在200℃左右，黏接剂能承受的温度为180℃，因此在20kW功率下，散热结构能满足使用要求。S频段超大功率环行器外观如图3-31所示。

X频段超大功率环行器

采用魔T+差相移段+3dB电桥构成差相移式环行器的方案，其原理图如图3-32所示。

当能量（采用归一化能量1）由Port 1端口输入，经过魔T后到达参考面1时，2路信号等幅且同相，能量分别为。假设信号自参考面1至参考面2通过Ⅰ波导后相位的变化为φ₁，通过Ⅱ波导后相位的变化为φ₂，则信号在参考面2处Ⅰ波导能量为，Ⅱ波导能量为。对于90°差相移段而言φ₁与φ₂将相差90°（不妨设φ₂-φ₁=90°）。通过3dB电桥后，在Port 2端口得到的能量由2部分构成：其一是来自Ⅱ波导的，另外一部分是来自Ⅰ波导的。二者幅度相同，相位相同，因而合成能量1。在Port 4端口的能量也由2部分构成：其一是来自Ⅰ波导的，另外一部分是来自Ⅱ波导的。二者能量相等，但相位相反，因而合成为零。因此，由Port 1端口输入信号时，在Port 2实现输出，Port 4实现隔离。

若信号从Port 4端口输入，在参考面2时2路信号能量分别是：Ⅰ路为，Ⅱ路为。假设信号自参考面2至参考面1通过Ⅰ波导后相位的变化为，通过Ⅱ波导后相位的变化为。对于90°差相移段而言与仍将相差90°（不妨设），从而在参考面1处2路信号能量是：Ⅰ路为，Ⅱ路为。二者等幅同相，因此将在魔T的同相合成端（即Port 1）形成能量为1的输出，而在Port 3端无信号输出。

综上所述，该结构形式的差相移环行器的环行方向为Port 1→Port 2→Port 3→Port 4→Port 1。当然，如果改变差相移段铁氧体的磁化方向（可实现φ₂-φ₁=90°），亦可以实现如下的环行方向：Port 1→Port 4→Port 3→Port 2→Port 1。

X频段超大功率环行器外观如图3-33所示。

S/X频段超大功率谐波滤波器

大功率的漏壁式谐波滤波器是在主波导宽、窄边上各开并列的耦合孔，每个耦合孔连接独立的减高波导。对于主频电磁波，耦合孔近似闭合，减高波导为截止波导，基本上没有耦合功率；对于谐波电磁波，耦合孔为传输孔，谐波功率进入减高波导，传输到吸收负载被吸收；因此合理设计耦合孔的尺寸和数量，可使进入主波导的谐波衰减足够大，而不影响主频电磁波的正常传输。这种滤波器的缺点是准确设计难度大，很难找到一种数学模式来满足4种波型（主频、二次、三次、四次谐波）各自不同要求的边界条件，要靠大量的试验来确定，另外其结构复杂、体积大、重量重、成本高。其工作原理如下。

首先定义变量：漏壁中耦合孔的尺寸为a′×b′（a′为宽边尺寸，b′为窄边尺寸），截止波长为；主频的频率和工作波长分别为F₀、λ₀；二次、三次、四次谐波的频率和工作波长分别为F₂、λ₂，F₃、λ₃，F₄、λ₄。

1）为了保证主频波顺利传输，耦合孔必须满足下列要求：

这样耦合孔对于主频而言是截止孔，保证了主频波几乎不受影响地向前传输。

2）为了保证谐波顺利进入漏壁中，耦合孔必须满足下列要求：

这样耦合孔对于二次、三次、四次谐波是传输孔，保证了各谐波顺利进入孔中被吸收负载吸收。

漏壁式谐波滤波器工作原理示意图如图3-34所示。主频发射机除产生主频电磁波外，还产生二次、三次、四次等高次谐波，当它们进入漏壁式谐波滤波器后，漏壁中的耦合孔对于主频电磁波是截止孔，对于各次谐波是传输孔，因此F₀几乎不受影响地通过滤波器向天线方向传输，而F₂、F₃、F₄等谐波进入耦合孔经过减高波导，被吸收负载吸收，达到了抑制谐波的目的。

X频段超大功率谐波滤波器外观如图3-35所示。

X频段超大功率收阻滤波器

采用吸收式低通滤波器，由波导魔T和高通滤波器两部分组成，分别讨论如下。

波导魔T

波导魔T又称为匹配双T，如图3-36所示。其特性如下：

• 由H臂输入的功率将等幅分配到两侧臂，同相输出，而不会到E臂；
• 由E臂输入的功率将等幅分配到两侧臂，反相输出，而不会到H臂；
• 从两侧臂输入的等幅同相的场强、功率将叠加，从H臂输出，而不会到E臂；
• 从两侧臂输入的等幅反相的场强、功率将叠加，从E臂输出，而不会到H臂。

高通滤波器

如图3-37所示，F_D表示低频通带频率，F_G表示高频杂波频率，F_De^-π表示被移相180°的低频通带频率，λ_Dg表示低频波导波长。

高通滤波器的工作原理为：图3-37中上排波导管中，当F_D和F_G进入标准波导后，向前传输到波导宽边变窄的高通波导时，F_D被反射回来，F_G继续前进被吸收负载吸收；图3-37中下排波导管的标准波导比上排的长1/4个低频波导波长，F_D被反射后，相对于上排反射的F_D相位滞后180°，即两者反相被返回。

吸收式低通滤波器

工作原理示意图见图3-38。从H臂输入的F_D和F_G从两侧臂等幅同相进入高通滤波器的标准波导中；传输到波导宽边变窄的高通波导时，2路F_D被反射回魔T的侧臂，并且等幅反相，从E臂输出，向天线方向传输，而F_G进入高通波导中被负载吸收；这样就达到了F_D被顺利传输，而F_G被抑制的目的。

X频段超大功率收阻滤波器外观如图3-39所示。