借助射频仿真研究三端口铁氧体环行器设计

Caty Fairclough 2018年 7月 13日

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。

图片显示简单的环行器示意图。
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。

微波环行器模型几何图。
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。

图片显示二维环行器模型几何。
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。

环行器 S 参数与相对介电常数绘图。
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。

COMSOL Multiphysics® 电场模与功率流绘图。
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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