谐波平衡法仿真.ppt

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 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 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 ViewExampleDirectory 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 8Parametertosweep 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 设定测量方程式在 Simulation HB 元件面板列表中选择测量方程控件 放置到原理图中 双击测量方程控件 输入dbm out dBm Vout 1 方程 如图7 38所示 图7 38测量方程控件设置 方括号 1 中的数字指的是在分析中计算频率的索引值 当Order 3时 索引值表示为 index 0 是直流 index l 是1900MHz index 2 是二次谐波即3800MHz index 3 是指三次谐波 因此 方程式表示以dBm表示的1900MHz信号的输出功率 完整电路图 如图7 39所示 图7 39HB basic电路原理图 进行仿真 没有任何警告和错误信息 仿真通过 改变谐波平衡控制器参数Freq 1 1800MHz 再次仿真 出现错误信息 如图7 40所示 原因是源的频率 1900MHz 与HB1频率 1800MHz 相差100MHz 故源频率与控制器频率一定保持一致 图7 40仿真警告信息重新设置谐波平衡控制器频率 Freq 1 1900MHz 并再次仿真 4 仿真结果输出在数据显示窗口 插入Vout矩形图 得到输出信号的频谱 在基频上插入Marker 如图7 41所示 放大器在1 9GHz频率点的输出功率为 4 876dBm 图7 41输出信号频谱图 在数据显示窗口中插入数据表 并使数据列表中显示 dbm out 可以得到输出信号的功率值 如图7 42所示 图7 42输出信号的功率值 在数据显示窗口的左侧工具栏 单击 图标 插入Vin和Vout两个时域信号的数据轨迹 ts 时间序列 函数在谐波平衡法中将结果转换到时域 插入两个Marker点 如图7 43所示 会发现Vin和Vout在同一个时刻输出信号相位基本一致 非反相 图7 43输入和输出信号的时域波形 在轨迹图中直接把Vout改为VC Vin改为VB来编辑y轴标识 如图7 44所示 观察m4和m5点 信号相位相反 通过和图7 43对比 这说明匹配网络对相位有着很大的影响 图7 44VB和VC信号的时域波形 5 函数和索引的使用利用列表工具 显示Mix及Vout的值 如图7 45所示 在谐波仿真运行时数据组中就会产生一个Mix索引值 图7 45Mix和Vout数据表 注意到除非使用的是dB dBm等单位 否则Vout是一个复数 幅度和角度 通过双击列表 进入 PlotTraces Attributes 对话框 点击 按钮 如图7 46所示 在 Enteranyexpression 栏中输入dBm Vin 然后单击 按钮 得到如图7 47所示更新数据表 图7 46高级编辑对话框 图7 47更新的数据表在Vin自变量中键入索引值 1 来编辑dBm Vin 数据 如图7 48所示 得到在索引频率为1时 1900MHz 的Vin值为 40 214dBm 图7 48参数数据表 将光标插入dBm Vin 1 表达式并键入逗号 和50 显示效果如图7 49所示 dBm函数中第二个自变量是Zin 缺省值50 因此输出没有改变 图7 49参数数据表 6 输入功率和Zin 在HB basic设计中 从 ProbeCompenents 元件控制面板中调出电流指示器控件 currentprobe 重命名为I in 插入到原理图中 如图7 50所示 图7 50电流指示器重新仿真 仿真结束后 在数据显示窗口利用方程计算平均传输功率 如图7 51所示 图7 51插入方程 0 5表示峰值的平均值 conj函数将复数电流转换为它的共轭形式 因为电压和电流在相位中有耗散功率 将功率转换为dBm后再加30 如图7 52 写另一个方程计算Zin 然后 将插入Z in参数方程列表 如图7 53所示 注意到复数阻抗并不是50 而是47 619 图7 52输入阻抗方程 图7 53输入阻抗值插入列表 显示dBm Vout 1 dBm Vin 1 Z in 和P del dBm数据 如图7 54所示 图7 54输入功率数据 7 5 2压缩功率输出放大器在理想状态下输出功率不变 实际的放大器当其功率增大到一定程度之后 输出曲线就不是线形变化 当放大器输出功率曲线和理想状态下放大器输出功率曲线相差1dB时 对应的输出功率就是1dB功率压缩点 计算1dB功率压缩点有两种方法 通过XDB仿真器计算 扫描输入端的输入功率 也就是看输出信号随着输入端信号变化是怎么变化的 然后找到实际输出信号和理想输入信号相差1dB的点就是1dB功率压缩点 案例7 4 1dB功率压缩点仿真1 用XDB仿真器进行压缩点测试XDB仿真控制器是谐波平衡仿真中专门用于增益压缩的仿真器 保存目前所有工作 包括原理图和数据显示窗口 以新名称HB 1db保存原理图 然后 关闭HB basic数据显示 在新的原理图中 禁用HB1控制器 如图7 55所示 选择 simulation XDB 元件控制面板并在原理图中插入XDB控制器 如图7 56所示 双击修改属性 Freq 1 和GC输入 输出频率都是1 9GHz 参数GC xdB 1表示测试的是1dB功率压缩点 如果想考察3或6dB压缩点 改变值就可以 图7 55禁用HB仿真控制器图7 56XDB仿真控制器在 Simulation SimulationSetup 中 改变数据组名为hb xdb 然后仿真 当数据显示窗口打开后 利用列表显示inpwr和outpwr 如图7 57所示 通过直接在数据后加入一个 1 来编辑列表 如图7 58所示 运行1dB增益压缩测试只用了几秒钟 这是因为放大器偏置非常高 1dB压缩点大约在输入功率为 30 67dBm处 图7 57inpwr和outpwr数据列表 图7 58inpwr 1 和outpwr 1 数据列表 可以改变原理图和设置一个谐波平衡功率扫描 这是测试压缩点的另一个方法 2 用功率扫描对压缩点测试禁用XDB 激活HB控制器 如图7 59所示 插入VAR的变量方程控件 设置RF pwr 40 如图7 60所示 图7 59禁用增益压缩控制器图7 60添加变量后的VAR控件 设置RF source源的功率为 P dbmtow RF pwr 如图7 61所示 双击编辑谐波平衡 HB 控制器 如图7 62所示 SweepVar RF pwr Start 50Stop 20Step 1Order 1 3 图7 61带变量的P 1Tone源图7 62添加变量扫描后的HB仿真控制器单击菜单栏 Simulation SimulationSetup 弹出对话框 如图7 63所示 在 DataSet 对话框 改变数据组名为hb comp 点击 按钮开始仿真 当数据显示窗口打开时 选择 按钮来改变数据组 这将使得XDB数据作为默认数据组有效 现在 可以准确地画出hb comp数据 图7 63仿真设置对话框 插入矩形图并选择hb comp数据组 插入dbm out数据 在曲线上插入Marker 移动m1使RF pwr值接近XDB仿真中inpwr 31dBm的位置 如图7 64所示 此时 dbm out 3 358 而XDB仿真中outpwr 3 449dBm 两值很接近但不同 这说明两种方法得到的1dB功率压缩点不同 图7 64输出功率随输入功率变化曲线 图7 64 RF pwr 31 00dBm dbm out 3 358并不是该方法得到的1dB功率压缩点 仅是为了与XDB仿真结果进行对比 利用dbm out数据设置建立dB gain方程 如图7 65所示 从dBm out减去线性化的输入RF pwr 得到的结果是在所有RF频率范围电路的增益 图7 65计算增益等式 在图7 64中添加dB gain曲线 如图7 66所示 从图中m1及m2对应的值来验证db gain方程的正确性 图7 66增益和输出功率随输入功率变化曲线 利用Eqn控件设置另外一个方程 如图7 67所示 这代表没有压缩的理想输出功率 其中假设第一个RF频点 0 没有功率压缩 图7 67理想状态下输出功率方程新建矩形图插入dbm out及line曲线 如图7 68所示 明显可以看出放大器输出功率与线性输出功率的偏离 图7 68理想输出功率曲线与实际功率输出曲线对比 插入一新的矩形图 在 Equations 里选择dB gain变量并点击 按钮 在弹出的对话框选择 hb comp 数据组 选择dBm out变量 并点击 按钮 如图7 69所示 图7 69增益随输出信号变化图 曲线有明显下降点 m3点为1dB功率压缩点 7 5 3双音谐波平衡仿真在前面学习的基础上 用另外一个实例 进一步介绍多变量谐波平衡法仿真 这在复杂电路系统的设计及仿真中应用更为广泛 案例7 5 带变量双音谐波平衡仿真 1 用一新名称HB 2Tone保存案例7 4 2 修改VAR控件 加入RF freq和spacing变量 初始值设置如图7 70所示 图7 70添加变量后的VAR控件 3 改变源为P nTone 并对其参数进行设置使其具有双音Freq 1 和Freq 2 如图7 71所示 4 修改谐波平衡控制器 加入另一个频率Freq 2 及数值 同时修改Freq 1 如图7 72所示 从控件HB1中去掉RF pwr 图7 71带变量的P nTone源图7 72双音谐波平衡仿真HB仿真器控件设置 5 整体原理图如图7 73所示 图7 73HB 2Tone电路原理图 6 单击仿真 按钮 进行仿真 仿真结束后绘制Vout曲线 在1 9GHz附近添加Marker 如图7 74所示 为了看到互调成分 可以将图放大 也可以改变X轴刻度 如图7 75所示 图7 74输出频谱图图7 75改变x轴后频谱图 7 运用Mix索引值定制输出数据 添加如图7 76所示的数据表 ADS利用Mix函数的两个索引值唯一确定所有频率 例如max 1 2 1 885GHz max 0 4 7 580GHz在数据显示窗口 建立如图7 77所示的方程 给Tones参数赋值 插入Vout矩形图 在数据显示区左侧工作栏单击 图标 插入Vout数据 以dBm显示 在 Traces 栏选中 Vout 单击 按钮 弹出新的对话框 在 TraceType 选项卡显示类型选择 Spectral 在 TraceExpression 选项卡中 在 TraceExpression 栏输入表达式dBm mix Vout Tones 单击 按钮 如图7 78所示 由于Tones的设定 如图7 78所示显示了四个频率点 加入Marker 可以观察相应频点的功率 图7 76通过Mix的数据表观察制定频率 图7 77理想频率矩阵方程 图7 78理想频谱的频谱图 7 5 4三阶交调点的仿真在射频或微波多载波通讯系统中 三阶交调截取点IP3 Third orderInterceptPoint 是一个衡量线性度或失真的重要指标 交调失真对模拟微波通信来说 会产生邻近信道的串扰 对数字微波通信来说 会降低系统的频谱利用率 并使误码率恶化 因此 容量越大的系统 要求IP3越高 IP3越高表示线性度越好及失真越小 IP3通常输入两个音频测试 这里所指的音频与在低频电子线路的音频有区别 实际上是两个靠的比较近的射频或微波频率 1 利用IP3out控件计算TOI 1 在HB 2Tone原理图上 插入两个IP3out 控件 命名为ipo upper及ipo lower 分别计算上变频和下边频三阶交调系数 如图7 79所示 图7 79上边频及下边频IP3out 2 检查方程的正确性 然后仿真 3 在数据显示窗口中 列出lower toi及upper toi的值 如图7 80所示 双击数据列表 弹出对话框选择 PlotOptions 选项卡 不选中 DisplayIndep Data 选项 这时 从数据中可以看出 放大器三阶交调点的值比较合理而且几乎对称 图7 80lower toi和upper toi的值 4 在数据显示窗口 插入另外一个方程 如图