环行器有点类似圆形交叉路口（也称为旋转或环形交叉口）：它们内部的运动仅发生在一个方向上，而且每条路径都兼作入口和出口。然而，在环行器中，微波信号总是在下一个可用端口处出射。由于这种特性，环行器可用于涉及到将发射器和接收器耦合到公共天线的应用。为了确保环行器能够成功运行，电气工程师可以使用电磁仿真来研究环行器设计。
微波环行器快速入门
微波环行器是一种非互易多端口设备，通常包含三个 Y 形端口。在环行器中，来自一个端口的入射波只能耦合到下一个端口。由于这项功能，电气工程师经常使用环行器来隔离微波元件。
环行器的简单示意图。图片由 Geek3 提供。在 CC BY-SA 3.0 许可下使用，通过 Wikimedia Commons 分享。
微波环行器的一个常见应用是双工器。在环行器的作用下，无线电通信系统或雷达单元中的发射器和接收器能够共享公共天线，同时仍将接收器与发射器隔离。
为了构建环行器，工程师经常使用各向异性材料，如铁氧体，因为它们具有高电阻和高磁导率。但是，材料的选择会影响波在环行器端口之间传播的方式。在本例中，我们使用 COMSOL Multiphysics® 软件附加的“RF 模块”来精确分析铁氧体材料和环行器的内部工作原理。
使用 COMSOL® 软件模拟三端口铁氧体环行器
下面所示的无损三端口铁氧体环行器实例以三个 120° 角连接的矩形波导部分构成。在每个分支内，相同的介电调谐元件被用来匹配 Y 形接头。铁氧体柱置于接头中心，并被 H0 偏置磁场沿轴线方向磁化。
三端口微波环行器的几何结构。
该模型分析了 10G Hz 的 TE10 波在环行器中的传输过程。由于 TE10 波导模式在横向上没有变化，因此可以使用二维模型来简化分析。
包含介电调谐元件的二维环行器几何结构。
环行器的一个设计目标是通过匹配接头来减少输入端口的反射。为了匹配接头，必须确定当调谐元件采用各种不同的材料时，TE10 波在三个端口之间的传播效果。为此，您可以计算 TE10 基模下与调谐元件介电常数相关的 S 参数（衡量环行器的透射率和反射率）。
铁氧体环行器设计能够正常运行吗？
使用“RF 模块”，您可以对环行器设备进行 S 参数分析。下图比较了介质匹配元件（eps_r）的相对介电常数与 S11 参数，后者与端口 1（输入臂）的反射系数有关。
该结果表明设备在 eps_r = 1.29 附近实现了最小反射。
S11 参数与相对介电常数的关系。
在第二张绘图中，仔细查看 eps_r 值等于 1.29 时的情况。您可以使用此值来看到约为 -35 dB 的反射系数。这对于环行器设计来说是一个很好的值。
微波环行器中的电场模和功率流。
从上图中的功率流箭头可以看出，微波能量按照预期在一个方向上从一个端口流向另一个端口。另外，在电场大小绘图中没有驻波模式。基于这些发现，我们可以得出结论，环行器设计的行为表现符合预期。
利用电磁仿真，电气工程师可以有效推进微波环行器的设计进程。
后续操作
如希望试用微波环行器案例，请单击下方按钮，跳转至“案例下载”页面，您可以获得详细的建模说明和 MPH 文件（请注意，这需要有效的软件许可证和 COMSOL Access 帐户）。
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