入射與反射功率

矢量網(wǎng)絡分析的基本形式包括測量沿傳輸線傳播的入射波、反射波和傳輸波。

我們在此使用光波長作為類比，當光照射到透鏡上時（入射能量），一部分光會從透鏡表面反射回去， 但大部分光會繼續(xù)穿過透鏡（傳輸能量）（圖 5）。如果透鏡的表面是鏡面的，則大部分光線會反射回去，只有極少或沒有任何光線穿過透鏡。

當射頻信號輸入到某個器件上時，會存在信號的反射和傳輸。每個器件在工作狀態(tài)下，其傳輸和反射信號的大小和相位都是不同的， 而反射和傳輸?shù)奶匦詻Q定器件對信號的處理作用。器件及電路的性能就是定量控制器件的反射和傳輸特性。

射頻微波信號

影響一個器件(系統(tǒng))傳輸/反射特性的因素很多，作為網(wǎng)絡分析儀主要研究器件傳輸/反射特性與工作頻率及功率的關系。簡單來講，網(wǎng)絡分析儀顯示的結(jié)果縱軸可定義為：傳輸或反射特性，而橫軸為功率或頻率。

系統(tǒng)中每個器件的傳輸反射性能會對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)有直接影響。

例如：接收系統(tǒng)中由于正向增益很大，當級聯(lián)放大器中存在反射時，這個反射信號和輸入信號傳輸方向相反，反射信號是輸入信號的反饋。當滿足相位和幅度要求時，系統(tǒng)的反饋會形成正反饋，造成系統(tǒng)自激振蕩，無法正常工作。自激現(xiàn)象是射頻系統(tǒng)應該避免的現(xiàn)象。而對于振蕩器而言，就需要讓振蕩電路工作于正反饋狀態(tài)。
當器件（放大器，混頻器等）處于大功率下的非線性工作狀態(tài)時，會產(chǎn)生非線性失真，使信號產(chǎn)生波形失真，造成信號的調(diào)制質(zhì)量變差和功率變化。所有這些都是實際電路工作狀態(tài)出現(xiàn)的現(xiàn)象，也是網(wǎng)絡分析儀測試要反映的問題。

雖然射頻和微波信號的波長不同，但原理是相同的。矢量網(wǎng)絡分析儀可以精確地測量入射、 反射和傳輸?shù)哪芰浚绨l(fā)射到傳輸線上的能量、由于阻抗失配而沿著傳輸線反射回信號源的能量，以及成功傳輸?shù)阶罱K設備（例如天線）的能量。

傳輸線理論

傳輸線（transmission line）輸送電磁能的線狀結(jié)構(gòu)的設備。它是電信系統(tǒng)的重要組成部分，用來把載有信息的電磁波，沿著傳輸線規(guī)定的路由自一點輸送到另一點。

傳輸線理論又稱長線理論。因為他是在頻率(300M~3000GHz)（波長1m~0.1mm)段中用來研究傳輸線和網(wǎng)絡的理論基礎。麥克斯韋方程組反映了電能和磁能的交換將在空間產(chǎn)生電磁波的客觀規(guī)律。假若不希望電磁波在空問傳播，而是希望電磁波沿導體或介質(zhì)的邊界傳播,從而將信號源的電磁能量以被導引波的形式傳送到某一系統(tǒng)或負載中去，則必須引入傳輸線。對傳輸線而言，我們通常都要求其傳輸效率盡可能高，工作頻帶寬，尺寸小。

網(wǎng)絡分析儀在儀表的工作頻段內(nèi)可完成對被測件的傳輸反射參數(shù)的測試。當?shù)皖l率信號在器件中傳播時，信號的波長遠大于傳輸器件的物理長度，信號在傳輸線傳輸時，傳輸線上測試點位置對測量的電壓電流讀值影響不大。
對于頻率高的信號，傳輸信號的波長等于或小于器件的尺寸，在傳輸線上不同測試點得到的電壓/電流都會不同。

阻抗特性對反射有什么影響？

當傳輸線終端開路或短路時，所有輸入信號功率被反射到入射端，造成全反射。

傳輸線終端開路時，開路端電流為零，端點反射信號電流與輸入信號電流幅度相等。相位相反。而反射信號電壓與輸入信號電壓同相，滿足歐姆定理。

傳輸線終端短路時，開路端電壓為零，端點反射信號電壓與輸入信號電壓幅度相等，相位相反。而反射信號電流與輸入信號電流同相。滿足歐姆定理。

發(fā)生全反射時，傳輸線上同時存在正向輸入信號和同功率的反射信號。這兩個信號在傳輸線上失量疊加，形成駐波。駐波的波峰為輸入信號電壓2倍，谷值為零。
在其它情況下，如傳輸線終端接 25 ohms電阻時，輸入信號的一部分被反射。反射信號和輸入信號進行矢量疊加從而引起波形包絡起伏變化。

傳輸線終端開路或短路, 所有傳播信號被反射回入射端

傳輸線上形成駐波

傳輸線終端其它負載時, 部分傳播信號被反射回入射端

傳輸線上形成行駐波

傳輸線阻抗匹配

反射現(xiàn)象是器件端口存在的物理現(xiàn)象，減小反射的目的是保證信號能在器件中有效地進行功率傳輸。下面以傳輸線為例，研究傳輸線在不同負載情況下反射特性變化的規(guī)律。

傳輸線終端接匹配負載, 信號傳播過程相當于無窮長線傳輸線上形成行波。

當傳輸線端接負載與傳輸線特性阻抗相同時，輸出到負載上的信號功率最大。傳輸線上只有正向傳輸信號，信號波形為衡定包絡正弦波，傳輸效果等效為無窮長傳輸線。

當復雜系統(tǒng)中由級聯(lián)電路組成，第2級電路的輸入阻抗是第1級電路的負載。在阻抗?jié)M足共軛匹配條件時，負載上得到最大功率傳輸。

當阻抗不匹配時，就會出現(xiàn)反射信號，造成器件端口反射的根本原因是阻抗不匹配，研究器件的反射特性與研究器件的端口阻抗等效。

有時共軛匹配是通過調(diào)整源阻抗來完成。例如：發(fā)射機功放與天線的匹配，設計工程師必須在天線的整個頻率范圍內(nèi)優(yōu)化放大器的輸出阻抗，以保證最大射頻功率通過天線發(fā)射出去。

Zo - 傳輸線特性阻抗

傳輸線特性阻抗（characteristic impedance of transmission line）傳輸線處于行波傳輸狀態(tài)時，同一點的電壓電流比。它具有阻抗量綱，其數(shù)值只和傳輸線的結(jié)構(gòu)、材料和頻率有關。當傳輸線為無限長時,傳輸線的特性阻抗也就是它的策動點阻抗。

提到傳輸線特性阻抗，對于所有形式的傳輸線，如：同軸電纜，波導，雙絞線，微帶線(Microstrip)，耦合線等。其特性阻抗反映傳輸線上信號電壓與電流關系。特性阻抗只與傳輸線物理參數(shù)有關。如：同軸線特性阻抗由線纜的內(nèi)導體外徑，外導體內(nèi)徑，介質(zhì)介電常數(shù)(er)等參數(shù)決定。而和工作頻率及傳輸線長度無關。

對于低功率工作場合，如：有線電視， 系統(tǒng)要求很小傳輸損耗，系統(tǒng)特性阻抗規(guī)定為75Ω，對于其它射頻/微波系統(tǒng)，考慮功率容量和傳輸損耗的折衷，特性阻抗規(guī)定為50Ω。

傳輸線特性阻抗: Zo

Zo 決定信號電壓與電流的關系

Zo 由傳輸線物理尺寸及er 決定

系統(tǒng)中 Zo 為常數(shù) ( e.g. 50 or 75 Ω)

傳輸線的損耗

傳輸線的損耗為什么會隨著頻率升高而增大？傳輸損耗是傳輸線中必須要考慮的重要參量之一，與傳輸線的幾何形狀、所使用的材料及工作頻率有關，在電路設計中總是希望盡可能地減小損耗。

通常在設計微帶電路元件時，傳輸線的損耗主要分成三部分：

1. 導體損耗 (Conductor Loss)

發(fā)生于制造傳輸線的材料中，并且與傳輸線結(jié)構(gòu)造成的電流分布有關。金屬和介質(zhì)構(gòu)成傳輸線，由于金屬導體和介質(zhì)材料的有限導電率，在電流通過時會產(chǎn)生熱損耗。隨著頻率升高，電流會更頻繁地在導體中來回流動，導致導體的電阻損耗增加。這是因為在高頻率下，電流更多地集中在導體表面，導致稱為"趨膚效應"的現(xiàn)象，其中電流主要流經(jīng)導體的外部層，而不是整個導體截面。在毫米波段頻率高，趨膚效應的影響減小了導體的有效面積，增大了這部分損耗。

2.介質(zhì)損耗 (Dielectric Loss)

介質(zhì)損耗是與傳輸線絕緣材料（通常是電介質(zhì)）相關的能量損失。這種損耗主要由介質(zhì)分子在電場中振動或摩擦引起的。隨著頻率升高，電場的變化速度更快，導致介質(zhì)中分子振動和摩擦更力頻繁。這會導致更多的能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了介質(zhì)損耗。因此，隨著頻率升高，介質(zhì)損耗逐漸增大，尤其在微波和射頻頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)明顯

3.輻射損耗 (Radiation Loss)

由于傳輸線場結(jié)構(gòu)的開放性或半開放性造成的電磁場并 不完全束縛在導體和參考地之間，部分電磁能量輻射到傳輸線四周的空氣或介質(zhì)中。與其它損耗相比，總的輻射損耗很小，只有任不連續(xù)處或拐角處表現(xiàn)明顯。

高頻率信號的周期更短，因此傳輸線上的電流和電場變化更快。這會導致傳輸線作為天線的效果更加顯著，從而增加了輻射損耗。輻射損耗與傳輸線的長度和形狀以及頻率有關。此外，較長的傳輸線或者與信號波長相近的線路也更容易輻射，因為它們能更好地匹配天線條件。因此，隨著頻率升高，輻射損耗也會增大。

什么是趨膚效應 Skin effect？

趨膚效應是當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導體內(nèi)部實際上電流較小。結(jié)果使導體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應頻率越高，趨膚效用越顯著。

趨膚效應產(chǎn)生原因

趨膚效應產(chǎn)生原因

如上圖所示，當導體通過高頻電流i時，變化的電流就要在導體內(nèi)和導體外產(chǎn)生變化的磁場（圖中1-2-3和4-5-6）垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應定律，高頻磁場在導體內(nèi)沿長度方向的兩個平面L和N產(chǎn)生感應電動勢。此感應電勢在導體內(nèi)沿長度方向產(chǎn)生的渦流(a-c-b-a和d-e-f-d)阻止磁通的變化。可以看到渦流的a-b和e-f邊與主電流O-A方向一致，而b-c邊和d-e邊與O-A相反。這樣的主電流和渦流之和在導體表面加強，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導體表面。