環行器有點類似圓形交叉路口（也稱為旋轉或環形交叉口）：它們內部的運動僅發生在一個方向上，而且每條路徑都兼作入口和出口。然而，在環行器中，微波信號總是在下一個可用端口處出射。由于這種特性，環行器可用于涉及到將發射器和接收器耦合到公共天線的應用。為了確保環行器能夠成功運行，電氣工程師可以使用電磁仿真來研究環行器設計。

微波環行器快速入門

微波環行器是一種非互易多端口設備，通常包含三個 Y 形端口。在環行器中，來自一個端口的入射波只能耦合到下一個端口。由于這項功能，電氣工程師經常使用環行器來隔離微波元件。

環行器的簡單示意圖。

微波環行器的一個常見應用是雙工器。在環行器的作用下，無線電通信系統或雷達單元中的發射器和接收器能夠共享公共天線，同時仍將接收器與發射器隔離。

為了構建環行器，工程師經常使用各向異性材料，如鐵氧體，因為它們具有高電阻和高磁導率。但是，材料的選擇會影響波在環行器端口之間傳播的方式。在本例中，我們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件附加的“RF 模塊”來精確分析鐵氧體材料和環行器的內部工作原理。

使用 COMSOL? 軟件模擬三端口鐵氧體環行器

下面所示的無損三端口鐵氧體環行器實例以三個 120° 角連接的矩形波導部分構成。在每個分支內，相同的介電調諧元件被用來匹配 Y 形接頭。鐵氧體柱置于接頭中心，并被 H0 偏置磁場沿軸線方向磁化。

三端口微波環行器的幾何結構。

該模型分析了 10G Hz 的 TE10 波在環行器中的傳輸過程。由于 TE10 波導模式在橫向上沒有變化，因此可以使用二維模型來簡化分析。

包含介電調諧元件的二維環行器幾何結構。

環行器的一個設計目標是通過匹配接頭來減少輸入端口的反射。為了匹配接頭，必須確定當調諧元件采用各種不同的材料時，TE10 波在三個端口之間的傳播效果。為此，您可以計算 TE10 基模下與調諧元件介電常數相關的 S 參數（衡量環行器的透射率和反射率）。

鐵氧體環行器設計能夠正常運行嗎？

使用“RF 模塊”，您可以對環行器設備進行 S 參數分析。下圖比較了介質匹配元件（eps_r）的相對介電常數與 S11 參數，后者與端口 1（輸入臂）的反射系數有關。

該結果表明設備在 eps_r = 1.29 附近實現了最小反射。

S11 參數與相對介電常數的關系。

在第二張繪圖中，仔細查看 eps_r 值等于 1.29 時的情況。您可以使用此值來看到約為 -35 dB 的反射系數。這對于環行器設計來說是一個很好的值。

微波環行器中的電場模和功率流。

從上圖中的功率流箭頭可以看出，微波能量按照預期在一個方向上從一個端口流向另一個端口。另外，在電場大小繪圖中沒有駐波模式。基于這些發現，我們可以得出結論，環行器設計的行為表現符合預期。

利用電磁仿真，電氣工程師可以有效推進微波環行器的設計進程。

來源：COMSOL