諧波平衡法仿真

1、諧波平衡法仿真的基本原理仿真控制器重要參數(shù)的含義單音諧波平衡仿真1dB功率壓縮點的仿真雙音諧波平衡仿真IP3或TOI的仿真時域特性分析第七章 諧波平衡法仿真 【本章重點】諧波平衡法仿真是研究非線性電路的非線性特性和系統(tǒng)失真的頻域仿真分析法。一般適合模擬射頻微波電路仿真。本章首先介紹諧波平衡法仿真基本原理及相關(guān)控件使用情況，然后利用實例詳細(xì)介紹諧波平衡仿真法的一般相關(guān)操作及注意事項。7.1諧波平衡法仿真基本原理及功能在射頻電路設(shè)計中，通常需要得到射頻電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。如果采用傳統(tǒng)的SPICE模擬器對射頻電路進(jìn)行仿真，通常需要經(jīng)過很長的瞬態(tài)模擬時間電路的響應(yīng)才會穩(wěn)定。對于射頻電路，可以采用特殊的仿真

2、技術(shù)在較短的時間內(nèi)獲得穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，諧波平衡法就是其中之一。在頻域中描述如三極管、二極管等非線性器件是非常困難的，然而，在時域中這些非線性元件很容易得到其非線性模型。因此，在諧波平衡仿真器中，非線性系統(tǒng)用時域描述，用頻率描述線性系統(tǒng)，諧波平衡分析法將時域和頻域通過FFT結(jié)合起來，它將電路狀態(tài)變量近似寫成傅立葉級數(shù)展開的形式，通常展開項必須取得足夠大，以保證高次諧波對于模擬結(jié)果的影響可以忽略不計。諧波平衡法在目前的商用RF軟件中得到了很好的應(yīng)用，如ADS、AWR、Hspice、Nexxim等都支持HB分析。諧波平衡仿真是非線性系統(tǒng)分析最常用的分析方法，用于仿真非線性電路中的噪聲、增益壓縮、諧波失真、

3、振蕩器寄生、相噪和互調(diào)產(chǎn)物，它要比SPICE仿真器快得多，可以用來對混頻器、振蕩器、放大器等進(jìn)行仿真分析。對放大器而言，采用諧波平衡法分析的目的就是進(jìn)行大信號的非線性模擬。通過它可以模擬電路的1dB輸出功率、效率以及IP3等與非線性有關(guān)的量。諧波平衡法仿真有如下的功能：確定電流或電壓的頻譜成分；計算參數(shù)，如：三階截取點，總諧波失真及交調(diào)失真分量；執(zhí)行電源放大器負(fù)載激勵回路分析；執(zhí)行非線性噪聲分析。7.2諧波平衡法仿真面板與仿真控制器ADS中有專門針對諧波平衡法仿真的元件面板，在“Simulation-HB”類元件面板中包括了所有諧波平衡參數(shù)仿真需要的控件，如圖7-1所示。主要控件名稱：HB：諧

4、波平衡法仿真控制器Options：諧波平衡法仿真設(shè)置控制器Sweep Plan：參數(shù)掃描計劃控制器PrmSwp：參數(shù)掃描控制器Term：終端負(fù)載Disp Temp：顯示模板控件MeasEqn：仿真測量等式控件It：時域電流波形控件Vt：時域電壓波形控件Pt：功率顯示控件BudLin：線性化預(yù)算分析控件NoiseCon：諧波噪聲控制控件 Ifc：頻域電流顯示控件Vfc：頻域電壓顯示控件Pspec：功率譜密度顯示控件OscPort：接地振蕩器端口元件OscPrt2：差分振蕩器端口元件NdSet：節(jié)點設(shè)置NdSetName：節(jié)點名IP3in：輸入三階交調(diào)點分析控件IP3out：輸出三階交調(diào)點分析控件

5、Ipn： N階截止點分析控件SNR：信噪比分析控件 Bdfreq：頻率預(yù)算控件 BuGain：增益預(yù)算控件BuGmma：反射系數(shù)預(yù)算控件 BudPwrl:入射功率預(yù)算控件 BdPwrR:反射功率預(yù)算控件 BudSNR:信噪比預(yù)算控件 圖7-1 HB參數(shù)仿真面板1諧波平衡法仿真控制器諧波平衡法仿真控制器（HB）如圖7-2所示，是控制諧波平衡法仿真的最主要控件，可以設(shè)置諧波平衡法仿真的基準(zhǔn)頻率（Foundamental Frequency）、最高次諧波的次數(shù)，掃描參數(shù)，仿真執(zhí)行參數(shù)和噪聲分析等相關(guān)參數(shù)。圖7-2 諧波平衡仿真控制器雙擊 圖標(biāo)，彈出諧波平衡控制器參數(shù)設(shè)置窗口，主要包括【Freq】、【

6、Sweep】、【Intial Guess】、【Oscillator】、【Noise】、【Small-Sig】、【Params】、【Solver】、【Output】、【Display】10個選項卡。（1）Freq：諧波平衡法仿真需要設(shè)置仿真執(zhí)行時的基準(zhǔn)頻率和高次諧波等相關(guān)參數(shù)，用戶可以通過【Freq】選項卡進(jìn)行這些參數(shù)設(shè)置，如圖7-3所示。相關(guān)參數(shù)描述及說明如表7-1所示。 表7-1 頻率設(shè)置中的相關(guān)參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)描述說明Frequency基波頻率必須設(shè)置至少一個基波頻率Order最大諧波次數(shù)頻率中含有的最大諧波次數(shù)Maximum mixing order最大混頻次數(shù)混頻后頻率成分的最大次數(shù)S

7、tatus Level設(shè)置仿真狀態(tài)窗口中顯示信息的多少0：表示顯示很少的信息1和2：表示顯示正常的仿真信息3和4：表示顯示很多的信息（2）Sweep：如果在進(jìn)行諧波平衡法仿真時需要對某個參數(shù)進(jìn)行掃描，用戶可以通過【Sweep】選項卡進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖7-4所示，各參數(shù)的含義如表7-2所示。 圖7-3 Freq參數(shù)設(shè)置 圖7-4 Sweep參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)描述說明Parameter to sweep需要掃描的變量必須是原理圖中設(shè)置的變量Sweep Type掃描類型Linear：線性掃描Single Point：單點仿真Log：對數(shù)掃描Start/StopStart變量掃描參數(shù)的起始值變量掃描

8、范圍設(shè)定為Start/StopStop變量掃描的終止值Center/SpanCenter變量掃描中心值變 量 掃 描 范 圍 設(shè) 定 為Center/SpanSpan變量掃描范圍Step-size變量掃描間隔變量掃描類型設(shè)定為linear有效Num. of pts.變量掃描點數(shù)系統(tǒng)自動生成Pts./decade變量每增加10倍，掃描的點數(shù)變量掃描類型設(shè)定為log有效Use sweep plan是否使用掃描計劃若使用，則要添加“SWEEP PLAN”控件，并在控件中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置表7-2 Sweep相關(guān)參數(shù)設(shè)置（3）Oscillator：用戶可以通過設(shè)置【Oscillator】選項卡的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行

9、振蕩器分析，如圖7-5所示。在壓控振蕩器設(shè)計中重點介紹該選項卡的使用。（4）Noise：用戶可以利用【Noise】選項卡對噪聲分析的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖7-6所示。 圖7-5 振蕩器分析參數(shù)設(shè)置 圖7-6噪聲分析參數(shù)設(shè)置（5）Small-Sig：如果需要在諧波平衡法仿真中加入小信號分析，則可以通過【Small-Sig】選項卡進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖7-7所示。具體的參數(shù)含義與“Sweep”選項卡相同。 圖7-7小信號分析參數(shù)設(shè)置2諧波平衡法仿真設(shè)置控制器諧波平衡法仿真設(shè)置控制器（OPTIONS）如圖7-8所示。主要用來設(shè)置例如環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、仿真的收斂性、仿真的狀態(tài)提示和輸出文件特性等與仿真相

10、關(guān)的參數(shù)。圖7-8諧波平衡法仿真設(shè)置控制器3參數(shù)掃描計劃控制器參數(shù)掃描計劃控制器（SWEEP PLAN）如圖7-9所示。主要用來控制仿真中的參數(shù)掃描計劃。用戶可以使用該控制器添加一個或多個掃描變量，并制定相應(yīng)的掃描計劃。4參數(shù)掃描控制器參數(shù)掃描控制器（PARAMETER SWEEEP）如圖7-10所示。用來設(shè)置仿真中的掃描參數(shù)，該參數(shù)掃描可以在多個仿真實例中使用。圖7-9參數(shù)掃描計劃控制器 圖7-10參數(shù)掃描控制器5終端負(fù)載終端負(fù)載（Term）如圖7-11所示，用來設(shè)置端口標(biāo)號以及各端口終端負(fù)載阻抗，終端負(fù)載。 6線性化預(yù)算分析控件線性化預(yù)算分析控件（BudLin）如圖7-12所示，用來對電路

11、進(jìn)行線性化預(yù)算分析。 圖7-11終端負(fù)載 圖7-12線性化預(yù)算分析控件7諧波噪聲控制控件諧波噪聲控制（HB NOISE CONTROLLER）如圖7-13所示，用來設(shè)置電路諧波平衡法仿真過程中噪聲的頻率、噪聲節(jié)點和相位噪聲等相關(guān)參數(shù)，諧波噪聲控制控件。8接地振蕩器端口元件接地振蕩器端口元件（OscPort）如圖7-14所示，專門用來分析單端口振蕩器。9差分振蕩器端口元件差分振蕩器端口元件（OscPort2）如圖7-15所示，用來分析振蕩器元件差分結(jié)構(gòu)的振蕩器。 圖7-13諧波噪聲控制控件 圖7-14接地振蕩器端口元件 圖7-15 差分振蕩器端口元件10其他控件（1）節(jié)點設(shè)置與節(jié)點名節(jié)點設(shè)置與節(jié)

12、點名控件如圖7-16和7-17所示，用來設(shè)置仿真電路中的相關(guān)節(jié)點（NdSet）以及節(jié)點（NdSetName）名稱。 圖7-16節(jié)點設(shè)置 圖7-17 節(jié)點名（2）顯示模版控件和仿真測量等式控件顯示模板控件（Display Template）和仿真測量等式控件（MeasEqn）如圖7-18和7-19所示，與前邊介紹的控件工程相同，這里不詳細(xì)介紹。 圖7-18顯示模版控件 圖7-19仿真測量等式控件（3）時域電流波形控件時域電流波形控件（It）如圖7-20所示，用戶可以使用該控件計算電路時域電流，并可以在數(shù)據(jù)顯示窗口中直接地觀察電流的波形。（4）時域電壓波形控件時域電壓波形控件（Vt）如圖7-21所

13、示，用戶可以使用該控件計算電路時域電壓，并可以在數(shù)據(jù)顯示窗口中直接地觀察電壓的波形。（5）功率顯示控件功率顯示控件（Pt）如圖7-22所示，用來計算仿真電路中的端口功率。 圖7-20 時域電流波形控件 圖7-21功率顯示控件 圖7-22 功率顯示控件（6）頻域電流顯示控件頻域電流顯示控件（Ifc）如圖7-23所示，用來計算仿真電路中的頻域電流，并可以在數(shù)據(jù)窗口中直觀地觀察電流的頻率成分。（7）頻域電壓顯示控件頻域電壓顯示控件（Vfc）如圖7-24所示，用來計算仿真電路中的頻域電壓，并可以在數(shù)據(jù)窗口中直觀地觀察電壓的頻率成分。（8）功率譜密度顯示控件功率譜密度顯示控件（Pspec）如圖7-25所

14、示，用來計算仿真電路中的功率譜密度，并可以在數(shù)據(jù)窗口中直觀地觀察信號的功率譜密度。 圖7-23頻域電流顯示控件 圖7-24頻域電壓顯示控件 圖7-25功率譜密度顯示控件（9）輸入三階交調(diào)點分析控件輸入三階交調(diào)點分析控件（IP3in）如圖7-26所示，用來分析電路的輸入三階交調(diào)分量。（10）輸出三階交調(diào)點分析控件輸出三階交調(diào)點分析控件（IP3out）如圖7-27所示，用來分析電路的輸出三階交調(diào)點。圖7-26輸入三階交調(diào)點分析控件 圖7-27輸出三階交調(diào)點分析控件（11）N階截止點分析控件N階截止點分析控件（Ipn）如圖7-28所示，用來分析電路的N階截止點，其中N可以在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置。（12）信

15、噪比分析控件信噪比分析控件如圖7-29所示，用來分析電路中信號的信噪比，信噪比分析控件。 圖7-28 N階截止點分析控件 圖7-29信噪比分析控件7.3 諧波平衡法仿真的一般步驟（1）選擇器件模型并建立電路原理圖。 （2）確定需要進(jìn)行諧波平衡法仿真的輸入輸出端口，并進(jìn)行標(biāo)識。 （3）在“Simulation-HB”元件面板列表中選擇諧波平衡法仿真控制 器HB，并放置在原理圖設(shè)計窗口中。 （4）雙擊諧波平衡法仿真控制器，對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置內(nèi)容包 括基準(zhǔn)頻率、諧波次數(shù)和參數(shù)掃描相關(guān)參數(shù)等。 （5）如果掃描變量較多，則需要在“Simulation-HB”元件面板列表 中選擇“PARAMETER

16、 SWEEP”控件，雙擊控件，在其中設(shè)置多個掃 描變量，以及每個掃描變量的掃描類型和掃描參數(shù)范圍等。 （6）設(shè)置完成后，執(zhí)行仿真。 （7）在數(shù)據(jù)顯示窗口中查看仿真結(jié)果。7.4 ADS中諧波平衡法仿真例程 這部分包括2個例子： 單音信號HB仿真 對諧波平衡仿真中的參數(shù)進(jìn)行掃描【案例7-1】單音信號HB仿真（1）查看諧波平衡法仿真例程原理圖；在ADS主窗口中的工具欄選擇“View Example Directory”，在文件管理區(qū)中查看ADS的仿真實例。在文件管理區(qū)中找到“Tutorial/SimModels_prj”，雙擊打開工程。在工程的原理圖目錄中選擇設(shè)計HB1.dsn，并雙擊打開，原理圖如

17、圖7-30所示。圖7-30 HB1電路原理圖（2）雙擊 控制器，設(shè)置相關(guān)參數(shù)： Freq1=20.0 MHz Order1=7（3）單擊仿真 按鈕，進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后在數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示仿真結(jié)果，如圖7-31所示。204060801001200140- 100- 500- 15050f r eq, M H zdB(Vout / Vi n 0 )R eadoutm 1m 1f req=dB(Vout / Vi n 0 )=27. 88786020. 00000M H zFundam ent al and H arm oni c O ut put Vol t ages R el at i ve

18、t o I nput Vol t age圖7-31 仿真結(jié)果【案例7-2】參數(shù)掃描（1）在ADS主窗口中的工具欄選擇“View Example Directory”，查看 文件管理區(qū)中ADS的仿真實例。（2）在文件管理區(qū)中找到“Tutorial/SimModels_prj”，雙擊打開工程。（3）在工程原理圖目錄中選擇設(shè)計HB2.dsn，并雙擊打開，原理圖如 圖7-32所示。圖7-32對諧波平衡仿真中的參數(shù)進(jìn)行掃描（4）頻域功率源P_1Tone的參數(shù)設(shè)置如下：Num=1P=dbmtow(-10)，式中dbmtow( )用于將功率單位轉(zhuǎn)化為dBmFreq=freq_swp，這表示功率源的頻率參數(shù)為

19、一個變量，將在后面進(jìn)行定義（5）諧波平衡仿真控制器HB1參數(shù)設(shè)置如下：Frequency=freq_swp MHzOrder=8Parameter to sweep=freq_swpSweep Type=Linear Start=500Stop=1500Step=25123456708-80-60-40-100-20harm i ndexdB(Vout )（6）VAR控件參數(shù)設(shè)置如下： 在【Variable or Equation Entry Mode】下拉菜單中選擇Name=Value項 在【Seleer Parameter】中添加一個變量，名稱為freq_swp，并設(shè)置它的默 認(rèn)值為fre

20、q_swp=1 （7）單擊仿真 按鈕，進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后在數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示仿真結(jié)果，如圖7-33所示。 圖7-33 輸出信號功率譜（8）除了輸出信號的功率譜，讀者還可以觀察到在每個頻率輸出信號的功率 曲線和隨著基準(zhǔn)頻率的變化輸出信號的各高次諧波頻率的數(shù)據(jù)列表，分別如圖7-34和圖7-35所示。600. M800. M1. 00G1. 20G1. 40G400. M1. 60G-21. 4-21. 3-21. 2-21. 5-21. 1f req 1 , H zdB(Vout 1 )harm i ndexf req_sw p=500. 000012345678f req_sw p=525.

21、000012345678f req_sw p=550. 0000123456H B2. . f req0. 0000 H z500. 0 M H z1. 000 G H z1. 500 G H z2. 000 G H z2. 500 G H z3. 000 G H z3. 500 G H z4. 000 G H z0. 0000 H z525. 0 M H z1. 050 G H z1. 575 G H z2. 100 G H z2. 625 G H z3. 150 G H z3. 675 G H z4. 200 G H z0. 0000 H z550. 0 M H z1. 100 G H z

22、1. 650 G H z2. 200 G H z2. 750 G H z3. 300 G H z圖7-34輸出信號功率隨頻率變化曲線 圖7-35輸出信號諧波成分列表7.5諧波平衡法仿真實例本節(jié)將繼續(xù)以1.9G放大器的設(shè)計為基礎(chǔ)，進(jìn)一步討論諧波平衡仿真的基本方法，在此基礎(chǔ)上完成分析頻譜、壓縮輸出功率，計算TOI和其它一些非線性參數(shù)的方法。7.5.1諧波平衡仿真基礎(chǔ)實例【案例7-3】單音信號仿真1.構(gòu)建電路打開上一章的仿真原理圖s_final（圖6-85）。用一個新名稱HB_basic保存原理圖，刪除所有仿真測量組件及輸入端口 (Term)。在“source_Freq Domain”元件面板列表中

23、選擇P_1 Tone控件，插入輸入端；在圖中標(biāo)注Vin，Vout，VC和VB四個節(jié)點；修改P_1Tone源參數(shù)，同時命名為RF_source，如圖7-36所示：Freq=1.9 GHzZ=50 OhmP= dbmtow（-40）Num=1圖7-36 RF源設(shè)置 2.設(shè)置仿真參數(shù)選擇“Simulation-HB”類元件面板，在原理圖上放置諧波平衡仿真控制器， 如圖7-37所示；修改參數(shù)Freql=1.9GHz基波頻率為1.9GHzOrder1=3諧波次數(shù)為3圖7-37諧波平衡仿真控制器3.設(shè)定測量方程式在“Simulation-HB”元件面板列表中選擇測量方程控件，放置到原理圖中。雙擊測量方程控

24、件，輸入dbm_out=dBm(Vout1)方程，如圖7-38所示。圖7-38 測量方程控件設(shè)置方括號1中的數(shù)字指的是在分析中計算頻率的索引值。當(dāng)Order=3時，索引值表示為：index0是直流，indexl是1900MHz，index2是二次諧波即3800MHz。index3是指三次諧波。因此，方程式表示以dBm表示的1900MHz信號的輸出功率。完整電路圖，如圖7-39所示。圖7-39 HB_basic電路原理圖進(jìn)行仿真，沒有任何警告和錯誤信息，仿真通過；改變諧波平衡控制器參數(shù)Freq1=1800MHz。再次仿真，出現(xiàn)錯誤信息，如圖 7-40所示，原因是源的頻率（1900MHz）與HB1

25、頻率（1800MHz）相差100MHz。 故源頻率與控制器頻率一定保持一致 圖7-40 仿真警告信息重新設(shè)置諧波平衡控制器頻率，F(xiàn)req1=1900MHz，并再次仿真。4.仿真結(jié)果輸出在數(shù)據(jù)顯示窗口，插入Vout矩形圖，得到輸出信號的頻譜；在基頻上插入Marker，如圖7-41所示。放大器在1.9GHz頻率點的輸出功率為 -4.876dBm；1234506-80-60-40-20-1000f req, G H zdBm (Vout )R eadoutm 1m 1f req=dBm (Vout )=-4. 8761. 900G H z圖7-41 輸出信號頻譜圖在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入數(shù)據(jù)表，并使數(shù)據(jù)

26、列表中顯示“dbm_out”，可以得到 輸出信號的功率值，如圖7-42所示。dbm _out- 4. 876圖7-42 輸出信號的功率值-202-44ts(Vi n), m VR eadoutm 2m 2t i m e=t s(Vi n)=233. 5uV400. 0psec0. 20. 40. 60. 81. 00. 01. 2-1000100-200200t i m e, nsects(Vout), m VR eadoutm 3m 3t i m e=t s(Vout )=-32. 22m V400. 0psec在數(shù)據(jù)顯示窗口的左側(cè)工具欄，單擊 圖標(biāo)，插入Vin和Vout兩個時域信號的數(shù)據(jù)軌

27、跡。ts（時間序列）函數(shù)在諧波平衡法中將結(jié)果轉(zhuǎn)換到時域。插入兩個Marker點，如圖7-43所示，會發(fā)現(xiàn)Vin和Vout在同一個時刻輸出信號相位基本一致（非反相）。圖7-43 輸入和輸出信號的時域波形在軌跡圖中直接把Vout改為VC，Vin改為VB來編輯y軸標(biāo)識，如圖7-44所示。 觀察m4和m5點，信號相位相反。通過和圖7-43對比，這說明匹配網(wǎng)絡(luò)對相位 有著很大的影響。23415t s(VC ), VR eadoutm 4m 4t i m e=t s(VC )=4. 128 V400. 0psec0. 20. 40. 60. 81. 00. 01. 2790800810780820t i

28、m e, nsect s(VB), m VR eadoutm 5m 5t i m e=t s(VB)=784. 1m V400. 0psec圖7-44 VB和VC信號的時域波形5.函數(shù)和索引的使用利用列表工具，顯示Mix及Vout的值，如圖7-45所示。在諧波仿真運行時數(shù)據(jù)組中就會產(chǎn)生一個Mix索引值。freq0. 0000 H z1. 900 G H z3. 800 G H z5. 700 G H zM i x0123Vout0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 199 0. 001 / -170. 939 1. 963E-5 / 46. 135 圖7-45 Mix和V

29、out數(shù)據(jù)表注意到除非使用的是dB，dBm等單位，否則Vout是一個復(fù)數(shù)（幅度和角度）。freq0.0000 Hz1.900 GHz3.800 GHz5.700 GHzM ix0123Vout0.000 / 0.000 0.180 / -14.199 0.001 / -170.939 1.963E-5 / 46.135 dBm (Vin)-40.214-82.943-111.162通過雙擊列表，進(jìn)入“Plot Traces & Attributes”對話框。點擊按鈕。如圖7-46所示。在“Enter any expression”欄中輸入dBm(Vin），然后單擊按鈕，得到如圖7-47

30、所示更新數(shù)據(jù)表。圖7-46 高級編輯對話框 圖7-47 更新的數(shù)據(jù)表在Vin自變量中鍵入索引值1來編輯dBm(Vin)數(shù)據(jù)，如圖7-48所示。得到在索引頻率為1時（1900MHz）的Vin值為-40.214dBm。 f req0. 0000 Hz1. 900 G Hz3. 800 G Hz5. 700 G HzM i x0123Vout0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 199 0. 001 / -170. 939 1. 963E-5 / 46. 135 dBm (Vi n 1 )-40. 214圖7-48 參數(shù)數(shù)據(jù)表將光標(biāo)插入dBm(Vin1）表達(dá)式并鍵入逗號“，”和

31、50，顯示效果如圖7-49 所示。dBm函數(shù)中第二個自變量是Zin，缺省值50，因此輸出沒有改變。f req0. 0000 Hz1. 900 G Hz3. 800 G Hz5. 700 G HzM i x0123Vout0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 1. . .0. 001 / -170. . . .1. 963E-5 / 46. . .dBm (Vi n 1 , 50)-40. 214圖7-49 參數(shù)數(shù)據(jù)表6.輸入功率和Zin。在HB_basic設(shè)計中，從“Probe Compenents”元件控制面板中調(diào)出電流指示器 控件（current probe），重命名

32、為I_in，插入到原理圖中，如圖7-50所示。 圖7-50 電流指示器重新仿真。仿真結(jié)束后，在數(shù)據(jù)顯示窗口利用方程計算平均傳輸功率，如圖 7-51所示。Eqn P_del _dbm =10*l og(0. 5*real (Vi n 1 *conj (I _i n. i 1 )+30圖7-51 插入方程0.5表示峰值的平均值。conj函數(shù)將復(fù)數(shù)電流轉(zhuǎn)換為它的共軛形式。因為電壓和電流在相位中有耗散功率，將功率轉(zhuǎn)換為dBm后再加30。Eqn Z_i n=Vi n/ I _i n. ifreq0. 0000 H z1. 900 G H z3. 800 G H z5. 700 G H zZ_i n47.

33、 619 / 0. 686 50. 000 / -180. 000 50. 000 / -180. 000 dBm (Vout1)-4.876dBm (Vin1,Z_in1)-40.003P_del _dbm-40.003如圖7-52，寫另一個方程計算Zin。然后，將插入Z_in參數(shù)方程列表，如圖 7-53所示。注意到復(fù)數(shù)阻抗并不是50，而是47.619。圖7-52 輸入阻抗方程圖7-53 輸入阻抗值插入列表，顯示dBm(Vout1)、dBm(Vin1，Z_in)和P_del_dBm數(shù)據(jù)， 如圖7-54所示。圖7-54 輸入功率數(shù)據(jù)7.5.2壓縮功率輸出 放大器在理想狀態(tài)下輸出功率不變，實際的

34、放大器當(dāng)其功率增大到一定程度之后，輸出曲線就不是線形變化，當(dāng)放大器輸出功率曲線和理想狀態(tài)下放大器輸出功率曲線相差1dB時，對應(yīng)的輸出功率就是1dB功率壓縮點。 計算1dB功率壓縮點有兩種方法：通過XDB仿真器計算掃描輸入端的輸入功率，也就是看輸出信號隨著輸入端信號變化是怎么變化的。然后找到實際輸出信號和理想輸入信號相差1dB的點就是1dB功率壓縮點。【案例7-4】 1dB功率壓縮點仿真 1.用XDB仿真器進(jìn)行壓縮點測試 XDB仿真控制器是諧波平衡仿真中專門用于增益壓縮的仿真器。保存目前所有工作（包括原理圖和數(shù)據(jù)顯示窗口）以新名稱HB_1db保存原理圖， 然后，關(guān)閉HB_basic數(shù)據(jù)顯示。在新

35、的原理圖中，禁用HB1控制器，如圖7-55所示。選擇“simulation_XDB”元件控制面板并在原理圖中插入XDB控制器，如圖7-56 所示。雙擊修改屬性，F(xiàn)req1和GC輸入輸出頻率都是1.9GHz。參數(shù)GC_xdB=1 表示測試的是1dB功率壓縮點。如果想考察3或6dB壓縮點，改變值就可以。 圖7-55 禁用HB仿真控制器 圖7-56 XDB仿真控制器在【Simulation】【Simulation Setup】中，改變數(shù)據(jù)組名為hb_xdb，然后 仿真。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示窗口打開后，利用列表顯示inpwr和outpwr，如圖7-57所示。通過直 接在數(shù)據(jù)后加入一個1來編輯列表，如圖7-58所

36、示。運行1dB增益壓縮測試只 用了幾秒鐘，這是因為放大器偏置非常高。1dB壓縮點大約在輸入功率為 -30.67dBm處。f req0. 0000 H z1. 900 G H z3. 800 G H z5. 700 G H zi npw r-30. 67 dBm-30. 67 dBm-30. 67 dBm-30. 67 dBmout pw r3. 499 dBm3. 499 dBm3. 499 dBm3. 499 dBmi npw r 1-30. 669out pw r 13. 499圖7-57 inpwr和outpwr數(shù)據(jù)列表圖7-58 inpwr1和outpwr1數(shù)據(jù)列表可以改變原理圖和設(shè)置

37、一個諧波平衡功率掃描，這是測試壓縮點的另一個方法。 2.用功率掃描對壓縮點測試禁用XDB，激活HB控制器，如圖7-59所示。插入VAR的變量方程控件，設(shè)置RF_pwr= -40，如圖7-60所示。圖7-59禁用增益壓縮控制器 圖7-60 添加變量后的VAR控件設(shè)置RF_source源的功率為：P=dbmtow(RF_pwr)，如圖7-61所示。雙擊編輯諧波平衡（HB）控制器，如圖7-62所示。 SweepVar=“RF_pwr” Start=-50 Stop=20 Step=1 Order1=3 圖7-61 帶變量的P_1Tone源 圖7-62 添加變量掃描后的HB仿真控制器單擊菜單欄【Sim

38、ulation】【Simulation Setup】，彈出對話框，如圖7-63所示，在“DataSet”對話框，改變數(shù)據(jù)組名為hb_comp。點擊 按鈕開始仿真。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示窗口打開時，選擇 按鈕來改變數(shù)據(jù)組這將使得XDB數(shù)據(jù)作為默認(rèn)數(shù)據(jù)組有效?，F(xiàn)在，可以準(zhǔn)確 地畫出hb_comp數(shù)據(jù)。 圖7-63 仿真設(shè)置對話框 插入矩形圖并選擇hb_comp數(shù)據(jù)組，插入dbm_out數(shù)據(jù)。在曲線上插入Marker。移動m1 使RF_pwr值接近XDB仿真中inpwr=-31dBm的位置，如圖7-64所示，此時，dbm_out=3.358，而XDB仿真中outpwr=3.449dBm，兩值很接近但不同，這說明

39、兩種方法得到的1dB功率壓縮點不同。-45-40-35-30-25-50-20-10-50-155R F_pwrdbm _outR eadoutm 1m 1R F_pw r=dbm _out =3. 358-31. 000圖7-64 輸出功率隨輸入功率變化曲線圖7-64，RF_pwr=-31.00dBm,dbm_out=3.358并不是該方法得到的1dB功率壓縮點，僅是為了與XDB仿真結(jié)果進(jìn)行對比。利用dbm_out數(shù)據(jù)設(shè)置建立dB_gain方程，如圖7-65所示。從dBm_out減去線性 化的輸入RF_pwr，得到的結(jié)果是在所有RF頻率范圍電路的增益。Eqn db_gai n=dbm _ou

40、t -R F_pw r圖7-65 計算增益等式在圖7-64中添加dB_gain曲線，如圖7-66所示。從圖中m1及m2對應(yīng)的值來驗證db_gain方程的正確性。-45-40-35-30-25-50-20-100102030-2040R F_pwrdb_gai nR eadoutm 2dbm _outR eadoutm 1m 2R F_pw r=db_gai n=34. 985-34. 000m 1R F_pw r=dbm _out =0. 985-34. 000圖7-66 增益和輸出功率隨輸入功率變化曲線利用Eqn控件設(shè)置另外一個方程，如圖7-67所示，這代表沒有壓縮的理想輸出 功率，其中假設(shè)

41、第一個RF頻點0沒有功率壓縮。Eqn l i ne=R F_pw r+db_gai n 0 圖7-67 理想狀態(tài)下輸出功率方程新建矩形圖插入dbm_out及l(fā)ine曲線，如圖7-68所示。明顯可以看出放大器輸 出功率與線性輸出功率的偏離。-45-40-35-30-25-50-20-10-5051015-1520R F_pw rdbm _outl i ne圖7-68 理想輸出功率曲線與實際功率輸出曲線對比插入一新的矩形圖，在“Equations”里選擇dB_gain變量并點擊 按鈕，在彈出的對話框選擇“hb_comp”數(shù)據(jù)組，選擇dBm_out變量，并點擊按鈕，如圖7-69所示。-14-12-1

42、0-8-6-4-2024-16626283032342436dbm _outdb_gai nR eadoutm 3m 3dbm _out =pl ot _vs(db_gai n, dbm _out )=34. 3583. 358圖7-69增益隨輸出信號變化圖曲線有明顯下降點，m3點為1dB功率壓縮點7.5.3 雙音諧波平衡仿真在前面學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，用另外一個實例，進(jìn)一步介紹多變量諧波平衡法仿真，這在復(fù)雜電路系統(tǒng)的設(shè)計及仿真中應(yīng)用更為廣泛。 【案例7-5】帶變量雙音諧波平衡仿真 （1）用一新名稱HB_2Tone保存案例7-4。 （2）修改VAR控件，加入RF_freq和spacing變量，初始值設(shè)

43、置如圖7-70所示。圖7-70 添加變量后的VAR控件（3）改變源為P_nTone，并對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置使其具有雙音Freq1和Freq2，如圖7-71所示。（4）修改諧波平衡控制器，加入另一個頻率Freq2及數(shù)值，同時修改Freq1，如圖7-72所示。從控件HB1中去掉RF_pwr。 圖7-71 帶變量的P_nTone源 圖7-72 雙音諧波平衡仿真HB仿真器控件設(shè)置（5）整體原理圖如圖7-73所示。圖7-73 HB_2Tone電路原理圖（6）單擊仿真 按鈕，進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后繪制Vout曲線，在1.9GHz附近添加Marker，如圖7-74所示。為了看到互調(diào)成分，可以將圖放大，也可以改變X

44、軸刻度，如圖7-75所示 2468101214016-150-100-50-2000freq, G H zdBm (Vout )R eadoutm 1m 1f req=dBm (Vout )=-4. 9351. 895G H z1. 851. 95-150-100-50-2000freq, G H zdBm (Vout )R eadoutm 1m 1f req=dBm (Vout)=-4.9351.895G Hz圖7-74輸出頻譜圖 圖7-75 改變x軸后頻譜圖（7）運用Mix索引值定制輸出數(shù)據(jù)。添加如圖7-76所示的數(shù)據(jù)表，ADS利用Mix函數(shù)的兩個索引值唯一確定所有頻 率。例如max-1,

45、21.885GHz，max0,47.580GHz在數(shù)據(jù)顯示窗口，建立如圖7-77所示的方程，給Tones參數(shù)賦值插入Vout矩形圖，在數(shù)據(jù)顯示區(qū)左側(cè)工作欄單擊 圖標(biāo)，插入Vout數(shù)據(jù)，以dBm顯示，在“Traces”欄選中“Vout”。單擊 按鈕，彈出新的對話框。在【Trace Type】選項卡顯示類型選擇“Spectral”；在【Trace Expression】選項卡中，在“Trace Expression”欄輸入表達(dá)式dBm (mix（Vout，Tones），單擊按鈕，如圖7-78所示。由于Tones的設(shè)定，如圖7-78所示顯示了四個頻率點，加入Marker，可以觀察 相應(yīng)頻點的功率。f

46、 r eq0. 0000 H z10. 00 M H z20. 00 M H z30. 00 M H z40. 00 M H z1. 865 G H z1. 875 G H z1. 885 G H z1. 895 G H z1. 905 G H z1. 915 G H z1. 925 G H z1. 935 G H z3. 770 G H z3. 780 G H z3. 790 G H z3. 800 G H z3. 810 G H z3. 820 G H z3. 830 G H z5. 675 G H z5. 685 G H z5. 695 G H z5. 705 G H z5. 715 G

47、 H z5. 725 G H z7. 580 G H z7. 590 G H z7. 600 G H z7. 610 G H zM i x( 1)01234- 3- 2- 101234- 2- 101234- 1012340123M i x( 2)0- 1- 2- 3- 443210- 1- 2- 343210- 1- 243210- 14321Eqn Tones= -1, 2, 0, 1, 1, 0, 2, -1圖7-76通過Mix的數(shù)據(jù)表觀察制定頻率圖7-77 理想頻率矩陣方程m 2f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-5. 0021. 905G H zm 3f

48、req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-4. 9351. 895G H zm 4f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 8351. 915G H zm 5f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 1631. 885G H z1. 8901. 8951. 9001. 9051. 9101. 8851. 915-40-30-20-10-500f req, G HzdBm (m i x(Vout , Tones)R eadoutm 2R eadoutm 3R eadoutm 4R eadoutm 5m 2f req=d

49、Bm (m i x(Vout , Tones)=-5. 0021. 905G H zm 3f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-4. 9351. 895G H zm 4f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 8351. 915G H zm 5f req=dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 1631. 885G H z 圖7-78 理想頻譜的頻譜圖 7.5.4三階交調(diào)點的仿真 在射頻或微波多載波通訊系統(tǒng)中，三階交調(diào)截取點IP3（Third-order Intercept Point）是一個衡量線性度或失真的重要指標(biāo)

50、。交調(diào)失真對模擬微波通信來說，會產(chǎn)生鄰近信道的串?dāng)_，對數(shù)字微波通信來說，會降低系統(tǒng)的頻譜利用率，并使誤碼率惡化。因此，容量越大的系統(tǒng)，要求IP3越高，IP3越高表示線性度越好及失真越小。IP3通常輸入兩個音頻測試，這里所指的音頻與在低頻電子線路的音頻有區(qū)別，實際上是兩個靠的比較近的射頻或微波頻率。 1利用IP3out控件計算TOI （1）在HB_2Tone原理圖上，插入兩個IP3out控件，命名為ipo_upper及ipo_lower，分別計算上變頻和下邊頻三階交調(diào)系數(shù)，如圖7-79所示。圖7-79 上邊頻及下邊頻IP3out （2）檢查方程的正確性，然后仿真。 （3）在數(shù)據(jù)顯示窗口中，列出l

51、ower_toi及upper_toi的值，如圖7-80所示。 雙擊數(shù)據(jù)列表，彈出對話框選擇【Plot Options】選項卡，不選中 “Display Indep.Data”選項。這時，從數(shù)據(jù)中可以看出，放大器三階 交調(diào)點的值比較合理而且?guī)缀鯇ΨQ。l ow er_t oi15. 679upper_t oi15. 914圖7-80 lower_toi和upper_toi的值Eqn m y_t oi =i p3_out (Vout , 1, 0, 2, -1, 50)m y_t oi15. 914（4）在數(shù)據(jù)顯示窗口，插入另外一個方程，如圖7-81所示，計算三階交 調(diào)系數(shù)。并顯示該數(shù)據(jù)，如圖7-82所示。圖7-81 my_toi方程圖7-82 my_toi數(shù)據(jù)表因為運用了同一函數(shù)ip3_out，所以得到的值是相同的。唯一不同的是my_toi數(shù)據(jù)是仿真后得到的。2用RF功率掃描精確計算TOI(8)以HB_toi為名字另存設(shè)計HB_2Tone，設(shè)置諧波平衡仿真控件進(jìn)行RF功率 掃描，如圖7-83所示。掃描變量為RF_pwr，范圍從-45dBm到-30dBm。前邊 的設(shè)計已經(jīng)測到1dB壓縮點的RF輸入功率約為-3ldBm，TOI