如何理解射频或微波信号在器件的工作过程？

入射与反射功率

矢量网络分析的基本形式包括测量沿传输线传播的入射波、反射波和传输波。

我们在此使用光波长作为类比，当光照射到透镜上时（入射能量），一部分光会从透镜表面反射回去， 但大部分光会继续穿过透镜（传输能量）（图 5）。如果透镜的表面是镜面的，则大部分光线会反射回去，只有极少或没有任何光线穿过透镜。

当射频信号输入到某个器件上时，会存在信号的反射和传输。每个器件在工作状态下，其传输和反射信号的大小和相位都是不同的， 而反射和传输的特性决定器件对信号的处理作用。器件及电路的性能就是定量控制器件的反射和传输特性。

射频微波信号

影响一个器件(系统)传输/反射特性的因素很多，作为网络分析仪主要研究器件传输/反射特性与工作频率及功率的关系。简单来讲，网络分析仪显示的结果纵轴可定义为：传输或反射特性，而横轴为功率或频率。

系统中每个器件的传输反射性能会对整个系统的工作状态有直接影响。

例如：接收系统中由于正向增益很大，当级联放大器中存在反射时，这个反射信号和输入信号传输方向相反，反射信号是输入信号的反馈。当满足相位和幅度要求时，系统的反馈会形成正反馈，造成系统自激振荡，无法正常工作。自激现象是射频系统应该避免的现象。而对于振荡器而言，就需要让振荡电路工作于正反馈状态。
当器件（放大器，混频器等）处于大功率下的非线性工作状态时，会产生非线性失真，使信号产生波形失真，造成信号的调制质量变差和功率变化。所有这些都是实际电路工作状态出现的现象，也是网络分析仪测试要反映的问题。

虽然射频和微波信号的波长不同，但原理是相同的。矢量网络分析仪可以精确地测量入射、 反射和传输的能量，例如发射到传输线上的能量、由于阻抗失配而沿着传输线反射回信号源的能量，以及成功传输到最终设备（例如天线）的能量。

传输线理论

传输线（transmission line）输送电磁能的线状结构的设备。它是电信系统的重要组成部分，用来把载有信息的电磁波，沿着传输线规定的路由自一点输送到另一点。

传输线理论又称长线理论。因为他是在频率(300M~3000GHz)（波长1m~0.1mm)段中用来研究传输线和网络的理论基础。麦克斯韦方程组反映了电能和磁能的交换将在空间产生电磁波的客观规律。假若不希望电磁波在空问传播，而是希望电磁波沿导体或介质的边界传播,从而将信号源的电磁能量以被导引波的形式传送到某一系统或负载中去，则必须引入传输线。对传输线而言，我们通常都要求其传输效率尽可能高，工作频带宽，尺寸小。

网络分析仪在仪表的工作频段内可完成对被测件的传输反射参数的测试。当低频率信号在器件中传播时，信号的波长远大于传输器件的物理长度，信号在传输线传输时，传输线上测试点位置对测量的电压电流读值影响不大。
对于频率高的信号，传输信号的波长等于或小于器件的尺寸，在传输线上不同测试点得到的电压/电流都会不同。

阻抗特性对反射有什么影响？

当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端，造成全反射。

传输线终端开路时，开路端电流为零，端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等。相位相反。而反射信号电压与输入信号电压同相，满足欧姆定理。

传输线终端短路时，开路端电压为零，端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等，相位相反。而反射信号电流与输入信号电流同相。满足欧姆定理。

发生全反射时，传输线上同时存在正向输入信号和同功率的反射信号。这两个信号在传输线上失量叠加，形成驻波。驻波的波峰为输入信号电压2倍，谷值为零。
在其它情况下，如传输线终端接 25 ohms电阻时，输入信号的一部分被反射。反射信号和输入信号进行矢量叠加从而引起波形包络起伏变化。

传输线终端开路或短路, 所有传播信号被反射回入射端

传输线上形成驻波

传输线终端其它负载时, 部分传播信号被反射回入射端

传输线上形成行驻波

传输线阻抗匹配

反射现象是器件端口存在的物理现象，减小反射的目的是保证信号能在器件中有效地进行功率传输。下面以传输线为例，研究传输线在不同负载情况下反射特性变化的规律。

传输线终端接匹配负载, 信号传播过程相当于无穷长线传输线上形成行波。

当传输线端接负载与传输线特性阻抗相同时，输出到负载上的信号功率最大。传输线上只有正向传输信号，信号波形为衡定包络正弦波，传输效果等效为无穷长传输线。

当复杂系统中由级联电路组成，第2级电路的输入阻抗是第1级电路的负载。在阻抗满足共轭匹配条件时，负载上得到最大功率传输。

当阻抗不匹配时，就会出现反射信号，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与研究器件的端口阻抗等效。

有时共轭匹配是通过调整源阻抗来完成。例如：发射机功放与天线的匹配，设计工程师必须在天线的整个频率范围内优化放大器的输出阻抗，以保证最大射频功率通过天线发射出去。

Zo - 传输线特性阻抗

传输线特性阻抗（characteristic impedance of transmission line）传输线处于行波传输状态时，同一点的电压电流比。它具有阻抗量纲，其数值只和传输线的结构、材料和频率有关。当传输线为无限长时,传输线的特性阻抗也就是它的策动点阻抗。

提到传输线特性阻抗，对于所有形式的传输线，如：同轴电缆，波导，双绞线，微带线(Microstrip)，耦合线等。其特性阻抗反映传输线上信号电压与电流关系。特性阻抗只与传输线物理参数有关。如：同轴线特性阻抗由线缆的内导体外径，外导体内径，介质介电常数(er)等参数决定。而和工作频率及传输线长度无关。

对于低功率工作场合，如：有线电视， 系统要求很小传输损耗，系统特性阻抗规定为75Ω，对于其它射频/微波系统，考虑功率容量和传输损耗的折衷，特性阻抗规定为50Ω。

传输线特性阻抗: Zo

Zo 决定信号电压与电流的关系

Zo 由传输线物理尺寸及er 决定

系统中 Zo 为常数 ( e.g. 50 or 75 Ω)

传输线的损耗

传输线的损耗为什么会随着频率升高而增大？传输损耗是传输线中必须要考虑的重要参量之一，与传输线的几何形状、所使用的材料及工作频率有关，在电路设计中总是希望尽可能地减小损耗。

通常在设计微带电路元件时，传输线的损耗主要分成三部分：

1. 导体损耗 (Conductor Loss)

发生于制造传输线的材料中，并且与传输线结构造成的电流分布有关。金属和介质构成传输线，由于金属导体和介质材料的有限导电率，在电流通过时会产生热损耗。随着频率升高，电流会更频繁地在导体中来回流动，导致导体的电阻损耗增加。这是因为在高频率下，电流更多地集中在导体表面，导致称为"趋肤效应"的现象，其中电流主要流经导体的外部层，而不是整个导体截面。在毫米波段频率高，趋肤效应的影响减小了导体的有效面积，增大了这部分损耗。

2.介质损耗 (Dielectric Loss)

介质损耗是与传输线绝缘材料（通常是电介质）相关的能量损失。这种损耗主要由介质分子在电场中振动或摩擦引起的。随着频率升高，电场的变化速度更快，导致介质中分子振动和摩擦更力频繁。这会导致更多的能量转化为热能，从而增加了介质损耗。因此，随着频率升高，介质损耗逐渐增大，尤其在微波和射频频率范围内表现明显

3.辐射损耗 (Radiation Loss)

由于传输线场结构的开放性或半开放性造成的电磁场并 不完全束缚在导体和参考地之间，部分电磁能量辐射到传输线四周的空气或介质中。与其它损耗相比，总的辐射损耗很小，只有任不连续处或拐角处表现明显。

高频率信号的周期更短，因此传输线上的电流和电场变化更快。这会导致传输线作为天线的效果更加显著，从而增加了辐射损耗。辐射损耗与传输线的长度和形状以及频率有关。此外，较长的传输线或者与信号波长相近的线路也更容易辐射，因为它们能更好地匹配天线条件。因此，随着频率升高，辐射损耗也会增大。

什么是趋肤效应 Skin effect？

趋肤效应是当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应频率越高，趋肤效用越显著。

趋肤效应产生原因

趋肤效应产生原因

如上图所示，当导体通过高频电流i时，变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场（图中1-2-3和4-5-6）垂直于电流方向。根据电磁感应定律，高频磁场在导体内沿长度方向的两个平面L和N产生感应电动势。此感应电势在导体内沿长度方向产生的涡流(a-c-b-a和d-e-f-d)阻止磁通的变化。可以看到涡流的a-b和e-f边与主电流O-A方向一致，而b-c边和d-e边与O-A相反。这样的主电流和涡流之和在导体表面加强，越向导线中心越弱，电流趋向于导体表面。