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1、 谐波平衡法仿真的基本原理仿真控制器重要参数的含义单音谐波平衡仿真1dB功率压缩点的仿真双音谐波平衡仿真IP3或TOI的仿真时域特性分析 第七章谐波平衡法仿真 本章重点 谐波平衡法仿真是研究非线性电路的非线性特性和系统失真的频域仿真分析法 一般适合模拟射频微波电路仿真 本章首先介绍谐波平衡法仿真基本原理及相关控件使用情况 然后利用实例详细介绍谐波平衡仿真法的一般相关操作及注意事项 7 1谐波平衡法仿真基本原理及功能在射频电路设计中 通常需要得到射频电路的稳态响应 如果采用传统的SPICE模拟器对射频电路进行仿真 通常需要经过很长的瞬态模拟时间电路的响应才会稳定 对于射频电路 可以采用特殊的仿真
2、技术在较短的时间内获得稳态响应 谐波平衡法就是其中之一 在频域中描述如三极管 二极管等非线性器件是非常困难的 然而 在时域中这些非线性元件很容易得到其非线性模型 因此 在谐波平衡仿真器中 非线性系统用时域描述 用频率描述线性系统 谐波平衡分析法将时域和频域通过FFT结合起来 它将电路状态变量近似写成傅立叶级数展开的形式 通常展开项必须取得足够大 以保证高次谐波对于模拟结果的影响可以忽略不计 谐波平衡法在目前的商用RF软件中得到了很好的应用 如ADS AWR Hspice Nexxim等都支持HB分析 谐波平衡仿真是非线性系统分析最常用的分析方法 用于仿真非线性电路中的噪声 增益压缩 谐波失真
3、振荡器寄生 相噪和互调产物 它要比SPICE仿真器快得多 可以用来对混频器 振荡器 放大器等进行仿真分析 对放大器而言 采用谐波平衡法分析的目的就是进行大信号的非线性模拟 OscPrt2 差分振荡器端口元件NdSet 节点设置NdSetName 节点名 IP3in 输入三阶交调点分析控件IP3out 输出三阶交调点分析控件Ipn N阶截止点分析控件 SNR 信噪比分析控件Bdfreq 频率预算控件BuGain 增益预算控件BuGmma 反射系数预算控件BudPwrl 入射功率预算控件BdPwrR 反射功率预算控件BudSNR 信噪比预算控件 图7 1HB参数仿真面板 1 谐波平衡法仿真控制器谐
4、波平衡法仿真控制器 HB 如图7 2所示 是控制谐波平衡法仿真的最主要控件 可以设置谐波平衡法仿真的基准频率 FoundamentalFrequency 最高次谐波的次数 扫描参数 仿真执行参数和噪声分析等相关参数 图7 2谐波平衡仿真控制器 双击 图标 弹出谐波平衡控制器参数设置窗口 主要包括 Freq Sweep IntialGuess Oscillator Noise Small Sig Params Solver Output Display 10个选项卡 1 Freq 谐波平衡法仿真需要设置仿真执行时的基准频率和高次谐波等相关参数 用户可以通过 Freq 选项卡进行这些参数设置 如图
5、7 3所示 相关参数描述及说明如表7 1所示 表7 1频率设置中的相关参数 2 Sweep 如果在进行谐波平衡法仿真时需要对某个参数进行扫描 用户可以通过 Sweep 选项卡进行相关设置 如图7 4所示 各参数的含义如表7 2所示 图7 3Freq参数设置 图7 4Sweep参数设置 表7 2Sweep相关参数设置 3 Oscillator 用户可以通过设置 Oscillator 选项卡的相关参数进行振荡器分析 如图7 5所示 在压控振荡器设计中重点介绍该选项卡的使用 4 Noise 用户可以利用 Noise 选项卡对噪声分析的相关参数进行设置 如图7 6所示 图7 5振荡器分析参数设置图7
6、6噪声分析参数设置 5 Small Sig 如果需要在谐波平衡法仿真中加入小信号分析 则可以通过 Small Sig 选项卡进行相关设置 如图7 7所示 具体的参数含义与 Sweep 选项卡相同 图7 7小信号分析参数设置 2 谐波平衡法仿真设置控制器谐波平衡法仿真设置控制器 OPTIONS 如图7 8所示 主要用来设置例如环境温度 设备温度 仿真的收敛性 仿真的状态提示和输出文件特性等与仿真相关的参数 图7 8谐波平衡法仿真设置控制器 3 参数扫描计划控制器参数扫描计划控制器 SWEEPPLAN 如图7 9所示 主要用来控制仿真中的参数扫描计划 用户可以使用该控制器添加一个或多个扫描变量 并
7、制定相应的扫描计划 4 参数扫描控制器参数扫描控制器 PARAMETERSWEEEP 如图7 10所示 用来设置仿真中的扫描参数 该参数扫描可以在多个仿真实例中使用 图7 9参数扫描计划控制器图7 10参数扫描控制器 5 终端负载终端负载 Term 如图7 11所示 用来设置端口标号以及各端口终端负载阻抗 终端负载 6 线性化预算分析控件线性化预算分析控件 BudLin 如图7 12所示 用来对电路进行线性化预算分析 图7 11终端负载图7 12线性化预算分析控件7 谐波噪声控制控件谐波噪声控制 HBNOISECONTROLLER 如图7 13所示 用来设置电路谐波平衡法仿真过程中噪声的频率
8、噪声节点和相位噪声等相关参数 谐波噪声控制控件 8 接地振荡器端口元件接地振荡器端口元件 OscPort 如图7 14所示 专门用来分析单端口振荡器 9 差分振荡器端口元件差分振荡器端口元件 OscPort2 如图7 15所示 用来分析振荡器元件差分结构的振荡器 图7 13谐波噪声控制控件图7 14接地振荡器端口元件图7 15差分振荡器端口元件 10 其他控件 1 节点设置与节点名节点设置与节点名控件如图7 16和7 17所示 用来设置仿真电路中的相关节点 NdSet 以及节点 NdSetName 名称 图7 16节点设置图7 17节点名 2 显示模版控件和仿真测量等式控件显示模板控件 Dis
9、playTemplate 和仿真测量等式控件 MeasEqn 如图7 18和7 19所示 与前边介绍的控件工程相同 这里不详细介绍 图7 18显示模版控件图7 19仿真测量等式控件 3 时域电流波形控件时域电流波形控件 It 如图7 20所示 用户可以使用该控件计算电路时域电流 并可以在数据显示窗口中直接地观察电流的波形 4 时域电压波形控件时域电压波形控件 Vt 如图7 21所示 用户可以使用该控件计算电路时域电压 并可以在数据显示窗口中直接地观察电压的波形 5 功率显示控件功率显示控件 Pt 如图7 22所示 用来计算仿真电路中的端口功率 图7 20时域电流波形控件图7 21功率显示控件图
10、7 22功率显示控件 6 频域电流显示控件频域电流显示控件 Ifc 如图7 23所示 用来计算仿真电路中的频域电流 并可以在数据窗口中直观地观察电流的频率成分 7 频域电压显示控件频域电压显示控件 Vfc 如图7 24所示 用来计算仿真电路中的频域电压 并可以在数据窗口中直观地观察电压的频率成分 8 功率谱密度显示控件功率谱密度显示控件 Pspec 如图7 25所示 用来计算仿真电路中的功率谱密度 并可以在数据窗口中直观地观察信号的功率谱密度 图7 23频域电流显示控件图7 24频域电压显示控件图7 25功率谱密度显示控件 9 输入三阶交调点分析控件输入三阶交调点分析控件 IP3in 如图7
11、26所示 用来分析电路的输入三阶交调分量 10 输出三阶交调点分析控件输出三阶交调点分析控件 IP3out 如图7 27所示 用来分析电路的输出三阶交调点 图7 26输入三阶交调点分析控件图7 27输出三阶交调点分析控件 11 N阶截止点分析控件N阶截止点分析控件 Ipn 如图7 28所示 用来分析电路的N阶截止点 其中N可以在参数设置中设置 12 信噪比分析控件信噪比分析控件如图7 29所示 用来分析电路中信号的信噪比 信噪比分析控件 图7 28N阶截止点分析控件图7 29信噪比分析控件 7 3谐波平衡法仿真的一般步骤 1 选择器件模型并建立电路原理图 2 确定需要进行谐波平衡法仿真的输入输
12、出端口 并进行标识 3 在 Simulation HB 元件面板列表中选择谐波平衡法仿真控制器HB 并放置在原理图设计窗口中 4 双击谐波平衡法仿真控制器 对仿真参数进行设置 设置内容包括基准频率 谐波次数和参数扫描相关参数等 5 如果扫描变量较多 则需要在 Simulation HB 元件面板列表中选择 PARAMETERSWEEP 控件 双击控件 在其中设置多个扫描变量 以及每个扫描变量的扫描类型和扫描参数范围等 6 设置完成后 执行仿真 7 在数据显示窗口中查看仿真结果 7 4ADS中谐波平衡法仿真例程这部分包括2个例子 单音信号HB仿真对谐波平衡仿真中的参数进行扫描 案例7 1 单音信
13、号HB仿真 1 查看谐波平衡法仿真例程原理图 在ADS主窗口中的工具栏选择 ViewExampleDirectory 在文件管理区中查看ADS的仿真实例 在文件管理区中找到 Tutorial SimModels prj 双击打开工程 在工程的原理图目录中选择设计HB1 dsn 并双击打开 原理图如图7 30所示 图7 30HB1电路原理图 2 双击 控制器 设置相关参数 Freq 1 20 0MHzOrder 1 7 3 单击仿真 按钮 进行仿真 仿真结束后在数据显示窗口 显示仿真结果 如图7 31所示 图7 31仿真结果 案例7 2 参数扫描 1 在ADS主窗口中的工具栏选择 ViewExa
14、mpleDirectory 查看文件管理区中ADS的仿真实例 2 在文件管理区中找到 Tutorial SimModels prj 双击打开工程 3 在工程原理图目录中选择设计HB2 dsn 并双击打开 原理图如图7 32所示 图7 32对谐波平衡仿真中的参数进行扫描 4 频域功率源P 1Tone的参数设置如下 Num 1P dbmtow 10 式中dbmtow 用于将功率单位转化为dBmFreq freq swp 这表示功率源的频率参数为一个变量 将在后面进行定义 5 谐波平衡仿真控制器HB1参数设置如下 Frequency freq swpMHzOrder 8Parametertoswee
15、p freq swpSweepType LinearStart 500Stop 1500Step 25 6 VAR控件参数设置如下 在 VariableorEquationEntryMode 下拉菜单中选择Name Value项在 SeleerParameter 中添加一个变量 名称为freq swp 并设置它的默认值为freq swp 1 7 单击仿真 按钮 进行仿真 仿真结束后在数据显示窗口 显示仿真结果 如图7 33所示 图7 33输出信号功率谱 8 除了输出信号的功率谱 读者还可以观察到在每个频率输出信号的功率曲线和随着基准频率的变化输出信号的各高次谐波频率的数据列表 分别如图7 34
16、和图7 35所示 图7 34输出信号功率随频率变化曲线图7 35输出信号谐波成分列表 7 5谐波平衡法仿真实例本节将继续以1 9G放大器的设计为基础 进一步讨论谐波平衡仿真的基本方法 在此基础上完成分析频谱 压缩输出功率 计算TOI和其它一些非线性参数的方法 7 5 1谐波平衡仿真基础实例 案例7 3 单音信号仿真1 构建电路打开上一章的仿真原理图s final 图6 85 用一个新名称HB basic保存原理图 删除所有仿真测量组件及输入端口 Term 在 source FreqDomain 元件面板列表中选择P 1Tone控件 插入输入端 在图中标注Vin Vout VC和VB四个节点 修改P 1Tone源参数 同时命名为RF source 如图7 36所示 Freq 1 9GHzZ 50OhmP dbmtow 40 Num 1 图7 36RF源设置 2 设置仿真参数选择 Simulation HB 类元件面板 在原理图上放置谐波平衡仿真控制器 如图7 37所示 修改参数Freq l 1 9GHz基波频率为1 9GHzOrder 1 3谐波次数为3 图7 37谐波平衡仿真控制器 3
