入射與反射功率

矢量網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， 而反射和傳輸的特性決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)傳輸/反射特性的因素很多，作為網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，網絡分析儀顯示的結果縱軸可定義為：傳輸或反射特性，而橫軸為功率或頻率。

系統中每個器件的傳輸反射性能會對整個系統的工作狀態有直接影響。

例如：接收系統中由于正向增益很大，當級聯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，系統的反饋會形成正反饋，造成系統自激振蕩，無法正常工作。自激現象是射頻系統應該避免的現象。而對于振蕩器而言，就需要讓振蕩電路工作于正反饋狀態。
當器件（放大器，混頻器等）處于大功率下的非線性工作狀態時，會產生非線性失真，使信號產生波形失真，造成信號的調制質量變差和功率變化。所有這些都是實際電路工作狀態出現的現象，也是網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。矢量網絡分析儀可以精確地測量入射、 反射和傳輸的能量，例如發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，以及成功傳輸到最終設備（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構的設備。它是電信系統的重要組成部分，用來把載有信息的電磁波，沿著傳輸線規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生電磁波的客觀規律。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。

網絡分析儀在儀表的工作頻段內可完成對被測件的傳輸反射參數的測試。當低頻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

反射現象是器件端口存在的物理現象，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。

當復雜系統中由級聯電路組成，第2級電路的輸入阻抗是第1級電路的負載。在阻抗滿足共軛匹配條件時，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整源阻抗來完成。例如：發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優化放大器的輸出阻抗，以保證最大射頻功率通過天線發射出去。

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時，同一點的電壓電流比。它具有阻抗量綱，其數值只和傳輸線的結構、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有關。如：同軸線特性阻抗由線纜的內導體外徑，外導體內徑，介質介電常數(er)等參數決定。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， 系統要求很小傳輸損耗，系統特性阻抗規定為75Ω，對于其它射頻/微波系統，考慮功率容量和傳輸損耗的折衷，特性阻抗規定為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

系統中 Zo 為常數 ( 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)

發生于制造傳輸線的材料中，并且與傳輸線結構造成的電流分布有關。金屬和介質構成傳輸線，由于金屬導體和介質材料的有限導電率，在電流通過時會產生熱損耗。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"的現象，其中電流主要流經導體的外部層，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.介質損耗 (Dielectric Loss)

介質損耗是與傳輸線絕緣材料（通常是電介質）相關的能量損失。這種損耗主要由介質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，導致介質中分子振動和摩擦更力頻繁。這會導致更多的能量轉化為熱能，從而增加了介質損耗。因此，隨著頻率升高，介質損耗逐漸增大，尤其在微波和射頻頻率范圍內表現明顯

3.輻射損耗 (Radiation Loss)

由于傳輸線場結構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中。與其它損耗相比，總的輻射損耗很小，只有任不連續處或拐角處表現明顯。

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，導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現象稱為趨膚效應頻率越高，趨膚效用越顯著。

趨膚效應產生原因

趨膚效應產生原因

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和導體外產生變化的磁場（圖中1-2-3和4-5-6）垂直于電流方向。根據電磁感應定律，高頻磁場在導體內沿長度方向的兩個平面L和N產生感應電動勢。此感應電勢在導體內沿長度方向產生的渦流(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，越向導線中心越弱，電流趨向于導體表面。