矢量网络分析仪 (VNA)的传输线理论

在测量一条传输线上各处的阻抗值以及在时间域或距离域中对被测器件中所存在的问题，例如器件特征的不连续性进行检查时，时域分析功能是非常有用的。时域分析结果的显示形式更为直观，直接就可以看到被测器件 (DUT) 的特征；在测量传输线系统的宽带响应特征方面，与其他测试技术相比，时域分析技术通过把每个不连续性的影响显示为时间或距离函数而能给出更富有含义的信息。

传输线理论

我们知道，信号是需要在一定的介质和载体上面传输的。所谓的载体，在我们接触现在所知道的PCB传输线之前，其实有很多其他的表现形式，如下图所示，例如双绞线和同轴。

什么是传输线？

最简单的传输线由一对导体构成，把信号以电磁波的形式从一端送到另一端。比如，PCB上的走线、双绞线、同轴电缆等。下图为传输线结构的示意图，两个导体中一个称为“信号路径”，另一个称为“参考路径”或“返回路径”。两个导体构成了电磁波能够向前传播的物理环境。

当传输线上施加信号时，随着信号向前传播，沿空间分布的电场和磁场也发生变化，信号能量以电磁波的形式传输到末端。变化的电场和磁场产生电流，外在的表现就像电流在发送端从信号路径流入，然后从参考路径回流到发送端一样，这也是参考路径被称为返回路径的原因。

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。

低频信号

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。

高频信号

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。

阻抗特性对反射的影响

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25ohms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。

振幅最小的位置成为波节，振幅最大的位置称为波腹。在波形上，波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象，但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等，则波节的幅值为零。

传输线反射现象: 全匹配

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。

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。

今天我們主要讲述讨论如何使用矢量网络分析仪 (VNA) 进行时域分析，希望让具有频域测试知识背景的工程师们能深入了解怎样从频域测试数据 (S参数) 得到时域测试结果，以及怎样将时域分析结果应用到对射频系统中常见问题的分析上。