諧波平衡法仿真

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(shí)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(xiàng)。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(xiàng)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、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。第一頁，共46頁。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(diǎn)，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：諧波平衡法仿真控制器Options：諧波平衡法仿真設(shè)置控制器SweepPlan：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DispTemp：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第二頁，共46頁。OscPrt2：差分振蕩器端口元件NdSet：節(jié)點(diǎn)設(shè)置NdSetName：節(jié)點(diǎn)名IP3in：輸入三階交調(diào)點(diǎn)分析控件IP3out：輸出三階交調(diào)點(diǎn)分析控件Ipn：N階截止點(diǎn)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7-1HB參數(shù)仿真面板第三頁，共46頁。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（FoundamentalFrequency）、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】、【Sweep】、【IntialGuess】、【Oscillator】、【Noise】、【Small-Sig】、【Params】、【Solver】、【Output】、【Display】10個選項(xiàng)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(xiàng)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。第四頁，共46頁。

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)Maximummixingorder最大混頻次數(shù)混頻后頻率成分的最大次數(shù)StatusLevel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(xiàng)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7-3Freq參數(shù)設(shè)置圖7-4Sweep參數(shù)設(shè)置第五頁，共46頁。參數(shù)名稱參數(shù)描述說明Parametertosweep需要掃描的變量必須是原理圖中設(shè)置的變量SweepType掃描類型Linear：線性掃描SinglePoint：單點(diǎn)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.ofpts.變量掃描點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)自動生成Pts./decade變量每增加10倍，掃描的點(diǎn)數(shù)變量掃描類型設(shè)定為log有效Usesweepplan是否使用掃描計劃若使用，則要添加“SWEEPPLAN”控件，并在控件中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置表7-2Sweep相關(guān)參數(shù)設(shè)置（3）Oscillator：用戶可以通過設(shè)置【Oscillator】選項(xiàng)卡的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行振蕩器分析，如圖7-5所示。在壓控振蕩器設(shè)計中重點(diǎn)介紹該選項(xiàng)卡的使用。（4）Noise：用戶可以利用【Noise】選項(xiàng)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。第六頁，共46頁。

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(xiàng)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(xiàng)卡相同。第七頁，共46頁。

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關(guān)的參數(shù)。圖7-8諧波平衡法仿真設(shè)置控制器第八頁，共46頁。3．參數(shù)掃描計劃控制器參數(shù)掃描計劃控制器（SWEEPPLAN）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（PARAMETERSWEEEP）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(shí)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。第九頁，共46頁。

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（HBNOISECONTROLLER）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(diǎn)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。第十頁，共46頁。

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(diǎn)設(shè)置與節(jié)點(diǎn)名節(jié)點(diǎn)設(shè)置與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（NdSet）以及節(jié)點(diǎn)（NdSetName）名稱。

圖7-16節(jié)點(diǎn)設(shè)置圖7-17節(jié)點(diǎn)名第十一頁，共46頁。（2）顯示模版控件和仿真測量等式控件顯示模板控件（DisplayTemplate）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功率顯示控件第十二頁，共46頁。（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(diǎn)分析控件輸入三階交調(diào)點(diǎn)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(diǎn)分析控件輸出三階交調(diào)點(diǎn)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(diǎn)。第十三頁，共46頁。圖7-26輸入三階交調(diào)點(diǎn)分析控件圖7-27輸出三階交調(diào)點(diǎn)分析控件（11）N階截止點(diǎn)分析控件N階截止點(diǎn)分析控件（Ipn）如圖7-28所示，用來分析電路的N階截止點(diǎn)，其中N可以在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置。（12）信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7-28N階截止點(diǎn)分析控件圖7-29信噪比分析控件第十四頁，共46頁。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“PARAMETERSWEEP”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。7.4ADS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“ViewExampleDirectory”，在文件管理區(qū)中查看ADS的仿真實(shí)例。第十五頁，共46頁。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，原理圖如圖7-30所示。圖7-30HB1電路原理圖（2）雙擊控制器，設(shè)置相關(guān)參數(shù)：Freq[1]=20.0MHzOrder[1]=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。第十六頁，共46頁。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“ViewExampleDirectory”，查看

文件管理區(qū)中ADS的仿真實(shí)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。第十七頁，共46頁。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_swpMHzOrder=8Parametertosweep=freq_swpSweepType=LinearStart=500Stop=1500Step=25第十八頁，共46頁。（6）VAR控件參數(shù)設(shè)置如下：在【VariableorEquationEntryMode】下拉菜單中選擇Name=Value項(xiàng)在【SeleerParameter】中添加一個變量，名稱為freq_swp，并設(shè)置它的默認(rèn)值為freq_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。第十九頁，共46頁。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(shí)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。第二十頁，共46頁。7.5.1諧波平衡仿真基礎(chǔ)實(shí)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_FreqDomain”元件面板列表中選擇P_1Tone控件，插入輸入端；在圖中標(biāo)注Vin，Vout，VC和VB四個節(jié)點(diǎn)；修改P_1Tone源參數(shù)，同時命名為RF_source，如圖7-36所示：Freq=1.9GHzZ=50OhmP=dbmtow（-40）Num=1圖7-36RF源設(shè)置第二十一頁，共46頁。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)Freq[l]=1.9GHz基波頻率為1.9GHzOrder[1]=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。雙擊測量方程控件，輸入dbm_out=dBm(Vout[1])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：index[0]是直流，index[l]是1900MHz，index[2]是二次諧波即3800MHz。index[3]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。第二十二頁，共46頁。圖7-39HB_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)Freq[1]=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頻率（1800MHz）相差100MHz。

故源頻率與控制器頻率一定保持一致第二十三頁，共46頁。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)req[1]=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(diǎn)的輸出功率為-4.876dBm；圖7-41輸出信號頻譜圖第二十四頁，共46頁。在數(shù)據(jù)顯示窗口中插入數(shù)據(jù)表，并使數(shù)據(jù)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。圖7-42輸出信號的功率值在數(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(diǎn)，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第二十五頁，共46頁。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(diǎn)，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。圖7-44VB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(yùn)行時數(shù)據(jù)組中就會產(chǎn)生一個Mix索引值。圖7-45Mix和Vout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）。第二十六頁，共46頁。通過雙擊列表，進(jìn)入“PlotTraces&Attributes”對話框。點(diǎn)擊按鈕。如圖7-46所示。在“Enteranyexpression”欄中輸入dBm(Vin），然后單擊按鈕，得到如圖7-47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。圖7-48參數(shù)數(shù)據(jù)表將光標(biāo)插入dBm(Vin[1]）表達(dá)式并鍵入逗號“，”和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50Ω，因此輸出沒有改變。第二十七頁，共46頁。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“ProbeCompenents”元件控制面板中調(diào)出電流指示器

控件（currentprobe），重命名為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。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?yàn)殡妷汉碗娏髟谙辔恢杏泻纳⒐β?，將功率轉(zhuǎn)換為dBm后再加30。第二十八頁，共46頁。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47.619Ω。圖7-52輸入阻抗方程圖7-53輸入阻抗值插入列表，顯示dBm(Vout[1])、dBm(Vin[1]，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(shí)際的放大器當(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(diǎn)。計算1dB功率壓縮點(diǎn)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(shí)際輸出信號和理想輸入信號相差1dB的點(diǎn)就是1dB功率壓縮點(diǎn)。第二十九頁，共46頁?！景咐?-4】1dB功率壓縮點(diǎn)仿真1.用XDB仿真器進(jìn)行壓縮點(diǎn)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)req[1]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(diǎn)。如果想考察3或6dB壓縮點(diǎn)，改變值就可以。

圖7-55禁用HB仿真控制器圖7-56XDB仿真控制器在【Simulation】→【SimulationSetup】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所示。運(yùn)行1dB增益壓縮測試只用了幾秒鐘，這是因?yàn)榉糯笃髌梅浅８摺?dB壓縮點(diǎn)大約在輸入功率為-30.67dBm處。第三十頁，共46頁。圖7-57inpwr和outpwr數(shù)據(jù)列表圖7-58inpwr[1]和outpwr[1]數(shù)據(jù)列表可以改變原理圖和設(shè)置一個諧波平衡功率掃描，這是測試壓縮點(diǎn)的另一個方法。2.用功率掃描對壓縮點(diǎn)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控件第三十一頁，共46頁。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=-50Stop=20Step=1Order[1]=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【Simulation】→【SimulationSetup】，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(diǎn)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)置對話框第三十二頁，共46頁。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，這說明兩種方法得到的1dB功率壓縮點(diǎn)不同。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(diǎn)，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。圖7-65計算增益等式第三十三頁，共46頁。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(yàn)證db_gain方程的正確性。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)第一個RF頻點(diǎn)[0]沒有功率壓縮。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。第三十四頁，共46頁。圖7-68理想輸出功率曲線與實(shí)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(diǎn)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(diǎn)擊按鈕，如圖7-69所示。圖7-69增益隨輸出信號變化圖曲線有明顯下降點(diǎn)，m3點(diǎn)為1dB功率壓縮點(diǎn)第三十五頁，共46頁。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(shí)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?！景咐?-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)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Freq[1]和Freq[2]，如圖7-71所示。（4）修改諧波平衡控制器，加入另一個頻率Freq[2]及數(shù)值，同時修改Freq[1]，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)置第三十六頁，共46頁。（5）整體原理圖如圖7-73所示。圖7-73HB_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軸刻度，如圖7-75所示第三十七頁，共46頁。圖7-74輸出頻譜圖圖7-75改變x軸后頻譜圖（7）運(yùn)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[{-1,2}]→1.885GHz，max[{0,4}]→7.580GHz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【TraceType】選項(xiàng)卡顯示類型選擇“Spectral”；在【TraceExpression】選項(xiàng)卡中，在“TraceExpression”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(diǎn)，加入Marker，可以觀察相應(yīng)頻點(diǎn)的功率。第三十八頁，共46頁。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

圖7-78理想頻譜的頻譜圖第三十九頁，共46頁。7.5.4三階交調(diào)點(diǎn)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(diǎn)IP3（Third-orderInterceptPoint）是一個衡量線性度或失真的重要指標(biāo)。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(shí)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第四十頁，共46頁。（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lower_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【PlotOptions】選項(xiàng)卡，不選中

“DisplayIndep.Data”選項(xiàng)。這時，從數(shù)據(jù)中可以看出，放大器三階

交調(diào)點(diǎn)的值比較合理而且?guī)缀鯇ΨQ。圖7-80lower_toi和upper_toi的值（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