谐波平衡法仿真.

•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、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。通过它可以模拟电路的1dB输出功率、效率以及IP3等与非线性有关的量。谐波平衡法仿真有如下的功能：•确定电流或电压的频谱成分；•计算参数，如：三阶截取点，总谐波失真及交调失真分量；•执行电源放大器负载激励回路分析；•执行非线性噪声分析。7.2谐波平衡法仿真面板与仿真控制器ADS中有专门针对谐波平衡法仿真的元件面板，在“Simulation-HB”类元件面板中包括了所有谐波平衡参数仿真需要的控件，如图7-1所示。主要控件名称：•HB：谐波平衡法仿真控制器•Options：谐波平衡法仿真设置控制器•SweepPlan：参数扫描计划控制器•PrmSwp：参数扫描控制器•Term：终端负载•DispTemp：显示模板控件•MeasEqn：仿真测量等式控件•It：时域电流波形控件•Vt：时域电压波形控件•Pt：功率显示控件•BudLin：线性化预算分析控件•NoiseCon：谐波噪声控制控件•Ifc：频域电流显示控件•Vfc：频域电压显示控件•Pspec：功率谱密度显示控件•OscPort：接地振荡器端口元件•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参数名称参数描述说明Frequency基波频率必须设置至少一个基波频率Order最大谐波次数频率中含有的最大谐波次数Maximummixingorder最大混频次数混频后频率成分的最大次数StatusLevel设置仿真状态窗口中显示信息的多少0：表示显示很少的信息1和2：表示显示正常的仿真信息3和4：表示显示很多的信息（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参数设置参数名称参数描述说明Parametertosweep需要扫描的变量必须是原理图中设置的变量SweepType扫描类型Linear：线性扫描SinglePoint：单点仿真Log：对数扫描Start/StopStart变量扫描参数的起始值变量扫描范围设定为Start/StopStop变量扫描的终止值Center/SpanCenter变量扫描中心值变量扫描范围设定为Center/SpanSpan变量扫描范围Step-size变量扫描间隔变量扫描类型设定为linear有效Num.ofpts.变量扫描点数系统自动生成Pts./decade变量每增加10倍，扫描的点数变量扫描类型设定为log有效Usesweepplan是否使用扫描计划若使用，则要添加“SWEEPPLAN”控件，并在控件中进行相应设置表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、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（DisplayTemplate）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7-26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。204060801001200140-100-500-15050freq,MHzdB(Vout/Vin[0])Readoutm1m1freq=dB(Vout/Vin[0])=27.88786020.00000MHzFundamentalandHarmonicOutputV