由於微波在現代技術和日常生活中的巨大影響，使用微波測量或工程術語在今天是相當普遍的，因此 值得花一點時間來定義微波技術及其在當今社會中的作用。 讓我們從簡單的科學定義開始，微波作爲交流信號，頻率在300MHz-300G Hz範圍內，這對應於大約1米-1毫米的自由空間波長。如圖1所示的電磁頻譜的圖形表示和對應於微波頻率的部分， 也許能幫助我們想象這個概念。

對於歷史感興趣的讀者，在電磁波的背景下第一次引用“微波”一詞我們可以追溯到到1931年。 國際電話和電報公司發表的一篇論文描述了利用波長爲0.18m的電磁波輻射從美國多佛到法國加萊的無線電聯繫。 輻射稱爲微波，無線電系統稱爲微射線。在1933年的一份出版物中，微波一詞指的是波長約0.5米，並以微波一詞出現，就像它的現代形式一樣。 在1935年，微波被稱爲波長小於10米的輻射，1940年的業餘無線電手冊提到微波的波長低於1米。 仔細觀察微波所用的“微（Micro）”一詞，並將其與物理波長聯繫起來，我們意識到這不是一個合適的選擇，因爲實際波長在1米到1毫米之間，並不算小。 然而，它們在我們在通信、無線傳感和電子領域目睹的技術發展中的重要性是無可爭議的，我們應該原諒這一小小的誤解。 有很多更詳細的出版物在講解微波的歷史，他們的電磁旅程，和重要的里程碑。 在這裏關注微波技術的歷史並不是我們的興趣；我們寧願給出一個時間戳，並強調微波在我們日常生活中的重要性。 微波曾經是雷達和衛星通信等軍事應用的主要興趣所在。 如今，作爲主流文化一部分的無線通信的主要方面是基於微波理論和技術的。 此外，基於微波的傳感應用已達到如此技術成熟，以至於它們對汽車雷達等大批量大衆市場具有吸引力。 甚至安全相關的應用，如無創微波和毫米波成像解決方案應用相當普遍. 換句話說，微波在日常生活中圍繞着我們，並對我們的現代生活方式做出了巨大貢獻。

圖1 、電磁頻譜

檢測、測量和顯示不同頻率的交流信號的概念從早期起就是微波傳輸測量的核心。 在這種情況下使用的一個基本原理是測量某一參數的未知量（例如交流信號功率），並將其與當時作爲標準的已知參數進行比較。 測量是通過將未知值與先前由已知標準確定的已知值進行比較來進行的。 這是對傳輸系統測量的要求， 因此，從早期的儀器開始，我們就遇到了作爲測量儀器核心組成部分的術語如信號源、檢測器和指示器等。

I.1 交流信號分析的基礎

我們將在器件表徵的背景下處理微波頻率範圍內的交流信號。 爲此，我們需要介紹一些與交流信號分析相關的基本術語，並瞭解它們對我們進一步討論的重要性。 從我們的教科書中，我們知道頻率f的一般週期交流信號有一種時變行爲，表示爲：

上式中V0是交流電壓信號的幅值，ω=2πf=2π/T是與信號週期T有關的角頻率。 這個交流電壓信號施加在一定電阻的負載R上，這允許我們計算相關的射頻功率P = V2 /R。

在微波設計中，對交流信號的功率水平的審視是非常常見的，原因是微波信號的傳播通常是由傳輸線和我們需要考慮波形信號，如圖2所示。 具有某種內部阻抗Rs的信號源用於在特性阻抗Z的傳輸線的端子上激發電壓波形V0 ，傳輸線的負載阻抗爲RL 。 在低頻下，電壓和電流測量是簡單的，並遵循歐姆定律P = V*I = V^ 2/RL = I ^2/RL。 然而，隨着頻率的增加，測量變得困難，因爲電流和電壓取決於沿信號線的位置。 阻抗失配和反射可能由於入射信號Vinc和反射波Vref的疊加而引起駐波 。 然而，沿傳輸線路的功率保持不變，因此在微波頻率下首選的是測量信號的功率就不難理解了。

圖2(a)交流信號傳播，(b)交流信號波形。 交流信號沿傳輸線傳播

對於交流信號分析和微波測量，我們通常使用電壓或功率比進行比較。 這方面最常見的單位之一是以分貝(dB)表示的信號比率單位：

上面的方程是考慮相同的負載阻抗R時的情況。 除了表示相對信號比外，我們還可以使用與已知功率電平相關的絕對功率電平單位(例如，對於1mW的參考功率，我們得到dB m功率單位)。 作爲一個簡單的例子，考慮1W的功率電平，它等於10log(1W/1m W)=30dBm。 考慮分貝比（dB）爲單位的原因簡單地說，對於交流信號分析，我們通常需要在大信號存在下分辨出小信號，並在同一圖形中同時顯示它們。 對數標度將壓縮大信號幅度並擴展小信號幅度，允許同時顯示所有信號，如圖3所示。

圖3. 交流信號的線性和對數度量

在這個例子中，我們考慮了功率電平分別爲P1=2W和P2=10mW的兩個交流信號，並在線性和對數尺度上顯示它們。 可以很容易地看到，在線性標度中，功率電平P2幾乎看不見，而對於對數標度中相同的信號比，我們可以很容易地讀取這兩個交流信號的功率電平。

對數標度是RF域中用於頻譜分析儀和網絡分析儀的默認表示，我們將在所有的相關文章中採用它。

當涉及到微波工程中的交流信號分析時，更熟悉的讀者將清楚地認識到兩種分析方法，即時域分析法和頻域分析法。 在此背景下，引入信號頻譜用於頻域分析的術語和用於時域分析的時變信號。 信號頻譜定義爲功率與頻率的關係，它是考慮頻域分析時的基本表示。 用於捕獲頻譜的測量設備稱爲頻譜分析儀。 然而，時域分析是通過示波器進行的，其中電壓信號在一定時間內顯示。 時域和頻域通過稱爲傅里葉變換(F T)及其逆(IF T)的數學變換相互關聯的。 傅里葉分析也稱爲諧波分析，因爲它使用正弦和餘弦三角函數作爲基函數。 具有周期T和角頻率ω=2π/T的任何週期函數f(t)都可以擴展表示爲一系列的三角函數：

傅里葉分析允許用加權正弦和餘弦函數展開f(t)。 振幅或傅里葉係數A k 和B k 以這樣的方式確定無限級數與初始函數f(t)相同。 FT和IFT是週期交流信號的時域f(t)和頻域F（ω）表示之間的聯繫：

對於有效的計算、數值解和數字信號處理，我們現在使用快速傅里葉變換(FFT)及其離散形式(D FT)，它已經被集成在現代微波測量設備中了。 讓我們考慮一個簡單的連續波頻率爲f=0.5GHz，週期T=1/f=2ns的正弦信號，如圖4中的時域和頻域所示。 直觀地說，正如我們預期的那樣，純正弦波信號在相應的頻率上有一個單一的頻譜分量，這在這個簡單的例子中是很容易看到。

圖4. 正弦波信號的時域和頻域表示

問題是，當交流信號更復雜，無法直觀地檢查時，會發生什麼，如圖5所示。 有經驗的讀者可以識別或懷疑疊加在原始正弦信號上的諧波的存在，但當只看時域信號時，定性分析幾乎是不可能的。 在這種情況下，觀察信號的功率頻譜清楚地揭示了在1GHz和1.5GHz分別存在加權諧波。

圖5. 交流信號的時域和頻域表示

顯然，只有當時域和頻域信號組合起來才能提供執行全面交流分析所需的所有數據。 當諸如調製等其他影響發揮作用時，這一點就變得更加深刻。 因此，微波工程師應該在兩種信號世界都感到舒適，因爲時域和頻域在某種程度上是合作的兄弟姐妹，以實現強大的交流信號分析。 在現代測量設備中實施這種分析方法不是一種妥協，而是執行交流信號測量的關鍵促成因素。 在接下來的文章中，我們將重點討論頻域設備表徵的測量技術，並使用線性網絡理論在傳輸系統中使用網絡分析儀進行測量。

I.2 信號的頻率域分析

實現微波頻率範圍頻譜分析儀的傳統方法是圖6所示的掃頻中頻接收機結構。 類似於無線電接收機，頻譜分析儀自動調諧在感興趣的波段。 頻譜分析儀(SA)基本上是一種掃描窄帶超外差接收機。 射頻輸入信號傳遞給衰減器，用於適當調整輸入功率電平，防止混頻器過度驅動而過載。 在混頻器之前引入一個低通濾波步驟，以從輸入信號中切斷鏡像頻率。 混頻器輸入處的射頻信號通過可變的本地振盪器(LO)頻率向下轉換爲中頻(I F)。 掃描發生器爲LO產生所需的頻率斜坡，並驅動分析器顯示屏上的水平頻率軸。

圖6、簡化的頻譜分析儀的體系結構

下轉換信號的電平由IF放大器調整，並由可變I F帶通濾波器濾波，該濾波器決定頻譜分析儀的分辨率帶寬(RBW)。 一個對數放大器跟隨，在功率檢測器處捕獲射頻信號的包絡。檢測器輸出通過低通濾波器引導，也稱爲視頻濾波器，它在顯示信號之前平滑信號。 從到目前爲止關於頻域分析的討論中，我們瞭解到，通過使用頻譜分析儀，我們可以量化信號功率是如何在頻率上分佈的，但我們缺乏關於信號相位的信息。 稍後，當我們引入網絡分析儀測量時，我們將討論一種可供選擇的不同於頻域的分析方法，該分析可以產生幅度和相位信息。

I.3 時域分析

正如前面章節所討論的，時域分析是頻域分析的兄弟，對理解交流信號關係有很大的貢獻。 捕獲時變信號的最全面的方法是使用示波器，如圖7所示。 在微波時域分析的早期，示波器是利用陰極射線管和模擬電路捕獲時域信號的模擬儀器。 隨着數字電路技術的發展，模數轉換(A/D)和數字信號處理占主導地位。 然而，如何捕獲時變信號並在顯示器上分析它們的基本原則今天仍然有效。 我們將在這裏簡要介紹模擬示波器的工作原理，以便對時域分析概念提供第一印象。

圖7、簡化的示波器結構

示波器輸入的信號激發輸入放大器，直接驅動射線管的陰極，並在熒光屏上引起垂直位移。 輸入信號的一部分也被饋送到觸發電路，觸發電路是比較器，每次比較器檢測到觸發事件時產生電壓爬坡。

電壓坡道用於驅動負責水平清掃的射線管的陰極。 掃描後，斜坡生成器返回其初始狀態並等待下一個觸發事件。 水平掃描以恆定的速率進行，並轉化爲時間變量，而垂直位移表示瞬時信號振幅。

I.4 總結

綜上所述，時至今日，我們仍可以保留微波的基本定義及其在上個世紀見證的技術進化中的應用。 微波技術克服了作爲軍事應用的一種特殊技術的最初的嚴格障礙，並在我們今天所知道的電信和電子的發展中作出了巨大貢獻。 我們介紹了信號分析的兩個基本領域，即頻域和時域分析，它們是互補的，可以被認爲是信號分析理論的兩個兄弟姐妹。 瞭解交流信號分析的一些基本原理，使我們能夠開始一段更全面的微波旅程，稱爲射頻和微波器件表徵，特別是晶片器件表徵。 在即將到來的文章中，我們將重點討論使用網絡分析儀作爲小信號測量的主要儀器的頻域測量方法。

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