1引言
理想的三端结环行器的设计概念基于散射矩阵理论，散射矩阵建立了结的入射波和反射波之间的关系。三端结环行器由一个铁氧体加载的中心区域和三个与之相耦合的传输线组成，通过改变铁氧体的尺寸大小，饱和磁矩，介电常数，外加恒磁场和中心导体的形状尺寸，从而改变散射矩阵的本征值，形成环行器。本文综合考虑了器件的带宽，功率容量的要求，设计出环行器的具体尺寸，并利用商用的HFSS8.0软件进行了仿真。
2环行器的综合设计
2.1中心导体的设计
采用了典型三角结附加LCГ型匹配网络的准中参数的设计方法，既展宽了带宽又缩小了器件的体积。
2.2铁氧体尺寸材料的选择
铁氧体的尺寸为Ф24.6×1.5mm，所采用的铁氧体材料为柘榴石材料，其4πMs=1650Gs，εr=14.5，tgδ=0.0004，ΔHe=10Oe，ΔHk=2Oe。
2.3高功率对策
为提高器件的功率承受能力，其一，可提高微波铁氧体材料的自旋波线宽ΔHk，最常用的方法就是在铁氧体中加入快速弛豫粒子，人们在柘榴石中加入HO（钬）和尖晶石中加入CO（钴）或Gd（钆），提高了△HK值，使△HK达到5-35Oe，大大抑制了自旋波的非线性增长，提高了铁氧体的临界场hc，从而提高器件耐受高功率的能力，但同时也使器件的谐振线宽△H增大，从而造成器件的插入损耗增加，所以在设计时应折中考虑；其二，加大铁氧体的有效面积和增加铁氧体的厚度也可增加器件的功率容量。
2.4主要性能技术指标
f:  790-1070MHz
插入损耗  0.4dBmax
反向隔离  20dBmin
驻波系数  1.25:1max
温度范围  -40-+800C
结构尺寸  31.5×31.5×19mm3
3环行器的仿真及功率容量和温度特性分析
如图1(a)所示为环行器的结构示意图，其性能图如图1(b)所示。由图可知在中心频率为930MHz，相对带宽为30%的频率范围内完全满足技术性能指标。
3.1环行器的环行条件分析
图2为环行器三端在弱耦合模式下仿真测量到的环行器结的本征分裂模特性，当环行器加上偏置磁场Hi=38500A/m，TM11模分裂成两个频率，ω-=843Mhz，和ω+=1057Mhz，，ω0 =950 KHz；ω0为未分裂时的共振频率。
因为    (1)
所以QL=2.6，此式的物理解释是当TM11模旋转30°时，ctg30°=，隔离端无输出，所以它是环行器的第一环行条件，器件只有在正负分裂模附近工作，才能环行。
因为   QL=fU /P  (2)
式(2)为铁氧体内部储能U与负载功率P之间的关系，QL即为储能U与振荡一周谐振器所消耗的能量比值，如设PL为1W，从公式计算出铁氧体内部的总能量为
U=U1e+U2e+U1m+U2m
=（0.906+0.909+1.006+1.005）·10-9J
=3.83·10-9 J
其中

所以算出的QL=2.9，与式（1）的结果比较接近。
3.2环行器的峰值功率探测
图3(a)为环行器腔体内部的电场分布图，假设从环行器端口馈入的微波功率为1W，图3(b)为结环行器端口馈入的微波功率为6000W时的环行器腔体内部电场分布图，根据空气的击穿场强为3*106V/m，可得出该环行器理论能承受的最大峰值功率（即打火功率）为6000W，由于承受功率还受驻波比，发射机寄生频率和基频谐波等各方面因素的影响，实际所能承受的功率为理论承受功率的40%，所以可估算出该环行器所能承受的最大峰值功率为2500W。
3.3环行器的高功率散热问题
在高平均功率的情况下，结环行器的设计除电气指标和机械结构外，还有热传导和散热因素，否则当功率较高时，铁氧体内的电磁损耗所产生的热量散发不出去，铁氧体的温升超过了铁氧体的承受能力，器件性能将会严重恶化，本文所采取的是自然散热措施，结构图如图4所示：
其中，Tf为铁氧体内表面温度，Tm 为金属外壳的温度，T0为空气的温度，其散热机理为：从温度为Tf的铁氧体内通过热传导的方式传至温度为 Tm (Tf> Tm )的金属外壳，金属外壳和温度为T0 的空气接触，通过自然冷却的方式把能量传给空气，显然，Tf>Tm >T0。当环行器的输入功率为200W，插入损耗为0.4dB时，两片铁氧体总的损耗功率Q为17.6W。铁氧体圆盘的上下温度差为：
Tf-Tm=2Qd/kπDf2
Tf-Tm=8.8℃
式中：d为两片铁氧体的总厚度（cm），Df为铁氧体的直径（cm），k为铁氧体的热传导系数0.063（W/cm·0C）。外壳的自然散热问题主要靠金属壳的热辐射和空气的对流等因素，但不能依靠空气的热传导方式来散热，因为空气的热传导系数很低。
若设Tm-T0=60℃，T0=20℃，则Tm=80℃。所以Tf=88.8℃。
由上述的分析可知，对于器件在无非线性损耗下承受200W的平均功率是可能的。
3.4环行器的温度稳定性分析
本文所述的环行器其工作温度为-40-+80℃，在-40-+80℃的极限温度下为了保证器件的微波性能，归一化磁矩P和归一化内场σ必须同步变化，其温度稳定性方程为：
ΔP/Δσ=-P0/σ0+2 P0σ0/σ02-1=R
在室温下，P=P0，σ=σ0，ΔP 和Δσ表示随温度偏离室温P和σ的偏移量，在高场区工作时R>0，这就意味着器件的归一化磁矩P和归一化内场σ必须同步变化才能保持器件的温度稳定性，这就是磁场和磁矩的同步变化原则。室温下MS(20℃)=1650Gs，f0=930Mhz，对应的P0=MS(20℃)/Hr=4.97，σ0=H0/ Hr=1.46，所以算出R=9.4。在高低温条件下，材料的饱和磁矩MS随温度变化的方程为：
MS(T)= MS(20℃)（1+αΔT）
其中α为负温系数，对于本文所述的柘榴石材料其负温系数为-0.002/℃。表1所示为器件在高低温下P和σ的变化值(f0=930MHz)：
理论上按照上述的数据进行温度补偿便可得到最佳的温度稳定性，在实际生产调试过程中可采用温度系数小的铁氧体材料和从磁路上解决温度变化率的问题，如采用复合磁路和采用适量的铁镍合金对外加磁场进行补偿，就可得到最佳