论文-增益压缩仿真

增益压缩仿真一、增益压缩仿真概述随着通信技术的发展，通信设备所用频率日益提高，射频（RF）和微波（MW）电路在通信系统中得到了广泛应用，高频电路设计领域也得到工业界的特别关注，新型半导体器件制造技术的不断发展更使得高速数字系统和高频模拟系统的应用领域不断扩张。现在，微波射频识别系统（RFID）的载波频率在915MHZ和2450MHZ的频率范围内；全球定位系统（GPS）的载波频率在122760MHZ和157542MHZ的频率范围内；个人通信系统的射频电路的工作频率为19GHZ；在C波段卫星广播通信系统中包括频率为4GHZ的上行通信链路和6GHZ的下行通信链路。通常这些电路的工作频率都在1GHZ以上，并且随着通信技术的发展，这种趋势会一直持续下去。处理这种频率很高的电路，不仅需要特别的设备和装置，而且还需要用到直流电路和低频电路中没有用到的理论知识。而我们所研究的增益压缩也是射频电路的基本指标，对电路分析也有重要的意义。增益压缩仿真也叫XDB仿真，非常适合仿真计算非线性电路的1DB或3DB增益压缩。增益压缩是指放大器的增益随输入电平提高而降低的特性，常用放大器的增益下降1DB时的输出功率通称LDB增益压缩点输出功率来表征放大器的输出能力。这是放大器的一项重要指标，它反映了放大器的输出能力和动态范围。因此如何测量1DB增益压缩点输出功率是很多人关注的事情。二、增益压缩仿真的基本功能与基本原理增益压缩仿真用于自定义的增益压缩点，它将理想的线性功率曲线与实际的功率曲线的偏离点相比较。增益压缩是电路由非线性引起的理论输出功率与实际输出的功率之间的差值。对于一个XDB增益压缩点的定义为X1010（GX/GSS）式中GX为实际输出功率，GSS为理想输出功率。在执行增益压缩仿真时，仿真控制器根据用户定义的输入和输出端口确定功率计算的节点，并不断地计算理想输出功率与实际输出功率的差值。当差值达到用户设定的增益压缩值X时，仿真停止进行，并输出当前电路的输入输出功率值。增益压缩仿真的算法来源于谐波平衡法仿真，因此它的很多仿真参数设置也用了谐波平衡法失真的相关内容。增益压缩仿真多用于分析对电路非线性比较敏感的射频电路或系统如混频器，低噪声放大器和功率放大器等。三、增益压缩仿真面板与仿真控制器31增益压缩仿真控制器（XDB）增益压缩仿真控制器是控制增益压缩仿真的最主要控件，用来设置增益压缩仿真的一些基本参数。32增益压缩仿真设置控制器（OPTIONS）增益压缩仿真设置控制器主要用来设置增益压缩仿真的外部环境和计算方式，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相关内容。33参数扫描计划控制器（SWEEPPLAN）参数扫描计划控制器主要用来控制仿真中的参数扫描计划，用户可以通过这个控制器添加一个或多个扫描变量，并制定相应的扫描计划。34参数扫描控制器（PARAMETERSWEEP）参数扫描控制器用来控制仿真中的扫描参数，这个扫描参数可以在多个仿真实例中执行。35节点设置（NDSET）与节点名（NDSETNAME）增益压缩仿真面板中的节点设置和节点名控件与直流仿真、谐波平衡法仿真等仿真控制面板中的两个控件完全相同，都是用来设置仿真电路中的相关节点及节点名称。36显示模版控件和仿真测量等式控件增益压缩仿真面板中的显示模版控件和仿真测量等事控件与其他仿真面板中的这两个控件功能相同。37线性预算控制器由于增益压缩是由于电路或系统的非线性造成的，因此，在增益压缩仿真面板中有一个线性预算控制器，它用来设置执行线性预算分析的参数，包括仿真真实例名，线性化元件名等。38增益压缩动态范围计算控件增益压缩动态范围计算控件用于计算电路1DB压缩点的功率值与基底噪声功率值之比。四、放大器增益压缩的测量方法的比较41逐点测量法逐点测量法是由低到高逐点向AUT输入电平LINDBM，并测出相应的输出电平LOUTDBM，计算出相应的增益GILINLOUTDB。1设置信号发生器输出频率为AUT的中心频率，输出电平为AUT饱和时的输入电平LIA0时，调节可变衰减器A使加到AUT的电平低于AUT工作在线性状态时对应的输入电平约10DB，记录此时可变衰减器A的衰减值A1DB；调节可变衰减器B使功率计上有最合适的指示LODBM记录此时可变衰减器B的衰减值B1DB；逐步减小可变率衰减器A的衰减值提高AUT输入电平至A2，并调可变衰减器B的衰减值至B2，保持功率计指示L。不变，直到A1A2B2B112信号发生器可变衰减器AAUT可变衰减器A功率计图1逐点测量法框图为止根据式1，AUT的增益为G1LOB1LIA1；G2LOB2一LIA2，当增益压缩LDB时，G1一G21，即LOB1一LIA1一LOB2LIA21，整理后得式2。于是，在AUT输入L1一A2DBM时，AUTLDB增益压缩点输出电平为LOUTLOB23用这种方法测量比较繁琐，但完全符合定义，并且比较准确。42双音信号法设置信号发生器的输出频率，调节输出信号电平，保证AUT工作于线性状态，使AUT呈现出最大增益。如果同时再给AUT输入另一个不同频率的高电平信号，则AUT工作趋于饱和状态，增益受到压缩。这时AUT输出的低电平信号，其幅度由于AUT增益压缩而变小了，据此原理，可以设计出AUT增益压缩的双音信号测量法。测试连接如图2所示。信号发生器A合路器信号发生器BAUT功率衰减器频谱分析仪功率计图2双音信号法框图设AUT中心频率为F0。调节信号发生器A频率为FAFO1MHZ，电平调节到AUT输人端电平比AUT正常输人电平低约30DB或更多；调节信号发生器B频率为FBFO1MHZ，电平调节到AUT输人端电平接近AUT饱和时的输如电平。FA和FB都在AUT工作频带内。设置频谱分析仪中心频率为F0，扫频宽度3MHZ，分辨力带宽、视频带宽、参考电平和输人衰减等按观测方便而调节。接通信号发生器A切断信号发生器B，在频谱分析仪上观测FA的电平LADBM；在保持信号发生器A接通的情况下再接通信号发生器B，在频谱分析仪上可以看到如图3所示的波形，而且可以看到LA下降了。调信号发生器B的电平，使LA下降LDB。这时，LB加上功率衰减器的衰值就应当是AUT的1增益压缩点输出功率。用功率计代替频谱分析仪可以得到更准确的结果。这种方法操作比较简单，但需两台信号发生器、合路器和频谱分析仪。图3双音信号显示43功率扫描法现代扫频信号发生器具有功率扫描功能，即它能从低电平到高电平自动扫描。将这种信号输入AUT，再用标量网络分析仪观测AUT的输出电平或增益变化，就可以测量AUT的LDB增益压缩点输出功率了。这种方法实际上和方法1的原理是一样的，只是可以通过仪表进行自动化测试。431功率扫描功率测量法1按图4连接测试设备。扫频信号发生器AUT功率衰减器检波器标量网络分析仪图4功率扫描功率测量法2设置扫频信号发生器为CW、功率扫描方式，输出频率为AUT中心频率，首先设置扫频信号发生器扫描开始电平比AUT正常输人电平低约10DB，扫描停止电平到使AUT近于饱和状态的输人电平。3在标量网络分析仪上接通CH1通道，并选择输人A与实际连接一致、功率测量。垂直偏置、刻度等调节到使标量网络分析仪上有最适当的显示，如图5所示。在显示中，水平轴代表AUT上的输人电平，垂直轴代表AUT上的输出电平，接通并移动测量游标，可以找到距离直虚斜线LDB点P。P点的电平加上功率衰减器的衰减值就是AUTLDB增益压缩点的输出功率。图5功率扫描功率测量显示432功率扫描比率测量法1测试设备连接如图6所示。2扫频信号发生器调节同431。3在标网分析仪上，接通CH2通道，并设置为传输测量、AR方式。于是，在标量网络分析仪上看到如图7所示的曲线。图中，横轴代表AUT的输人电平,纵轴代表AUT的增益。从图上可以找到增益曲线下降LDB的P点。P点所对应的输人电平加上P点的增益再加上功率衰减器的衰减值，就是AUTLDB增益压缩点的输出电平。扫频信号发生器功分器检波器AUT功率衰减器检波器标量网络分析仪图6功率扫描比率测量法框图电平加上P点的增益再加上功率衰减器的衰减值，就是AUTLDB增益压缩点的输出电平。图7功率扫描比率测量显示433功率扫描混合测量法1测试设备连接同图6。2扫描信号发生器调节同431。3标量网络分析仪调节同431。CH1通道及CH2通道均接通，可以在标量网络分析仪上看到如图8的显示。图中，1代表AUT输出电平对输入电平的关系，2代表AUT增益对输入电平的关系。用测量游标可以在曲线2上找到增益下降LDB的点P及曲线1上对应的点Q。Q点的电平加上功率衰减器的衰减值就是AUTLDB增益压缩点的输出电平。功率扫描法带来了很大的方便，尤其是混合测量法，很容易找到LDB增益压缩点，并可直读LDB增益压缩点输出电平。44交替扫描法现代扫频信号发生器还有交替扫描的功能，即可以在两种不同的状态上扫描，比如在不同的频率范围上扫描和在不同的电平上扫描，这就给测量带来了更大的方便。例如，可以用同一频率范围的不同电平的扫描信号作为输入信号送给AUT的输入端，然后观测AUT的增益或输出电平。测试方法如下1测量设备连接同图6。2设置扫频信号发生器的频率范围为AUT的工作频率范围，并设置为交替扫描状态。扫频信号发生器状态1的输出电平为AUT输入电平LDBM，该电平比AUT正常输入电平低约10DB，扫频信号发生器状态2的输出电平为使AUT接近饱和的输入电平LDBM。3标量网络分析仪CH1通道工作于低电平L1状态，CH2通道工作于高电平L2状态。两通道均设置为传输测量A方式。此时在标量网络分析仪上可以看到图9所示的显示。显示中，横轴代表频率，纵轴代表AUT的增益。1是低电平时的增益，2是高电平时的增益。调L2可以使1和2两描迹之间的距离为LDB。这时的L2加上描迹2的增益，再加上功率衰减器的衰减值，就是AUTLDB增益压缩点输出功率。调整两描迹之间的电平，当两描迹之间的电平为LDB时，将CH2通道改为A输入，功率测量，则由描迹2可以直读AUTLDB增益压缩点输出功率。图8功率扫描混合测量显示图9交替扫描比率测量显示这种方法最大的好处是可以看到不同频率下的增益和输出电平，因此在测量AUTLDB压缩点输出电平时还测量了增益平坦度及输出平坦度。五本设计的测量方式本次增益仿真的设计采用功率扫描功率测量法。51增益压缩仿真的原理图增益压缩仿真的原理图如下所示图10增益压缩仿真原理图对个元器件的参数做如下设置S21DBPOLAR10,0,表示放大器的增益为10DB。S11POLAR10,0,表示放大器输入端口的反射系数为0。S22DBPOLAR0,180,表示放大器输入端口的反射系数为0。S120J0，表示放大器输出与输入之间的S参量为0。PSAT25，表示放大器的功率饱和值为25DBM。GAINCOMPSAT3DB，表示当放大器输入功率为饱和时的增益压缩值。52查看仿真参数1双机电路原理图中的谐波平衡法仿真控制器，可以看到其中的参数设置如下所示FREQ1RFFEQQ,表示基波频率为变量RFFREQ。ORDER15,表示基波频率的阶数为5。SWEEPVARPIN，表示扫描变量为PIN。SWEEPPLANPLAN1,表示变量为PIN的扫描按照计划PLAN1执行。完成这些参数设置的仿真控制器如下图所示HARMONICBALANCEHB1SWEPPLAN“PLAN1“SWEPVAR“PIN“ORDER15FREQ1RFFREQHARMONICBALANCE图11仿真控制器2双击电路原理图中的增益压缩仿真控制器，可以看到其中的参数设置如下所示FREQ1RFFREQ，表示基波为变量RFFREQ。ORDER15,表示基波频率的阶数为5。GC_XDB1，表示增益压缩仿真值为1GC_INPUTPORT1，表示增益压缩仿真的输入端口为端口1。GC_OUTPUTPORT2，表示增益压缩仿真的输出端口为端口2。GC_INPUTFREQ1GHZ，表示增益压缩仿真的输入信号频率为1GHZ。GC_INPUTFREQ1GHZ，表示增益压缩仿真的输出信号频率为1GHZ。GC_INPUTPOWERLE3，表示增益压缩仿真的输入信号功率精度为LE3。GC_INPUTPOWERLE3，表示增益压缩仿真的输出信号功率精度为LE3。GC_MAXINPUTPOWER100，表示增益压缩仿真的最大输入信号功率精度为LE3。完成参数设置的参数扫描控制器如下图所示XDBHB2GC_MAXINPUTPOWER10GC_OUTPUTPOWERTOL1E3GC_INPUTPOWERTOL1E3GC_OUTPUTFREQ10GHZGC_INPUTFREQ10GHZGC_OUTPUTPORT2GC_INPUTPORT1GC_XDB1ORDER15FREQ1RFFREQGAINCOMPRESION图12扫描控制器1双击电路原理图中的参数扫描计划控件，可以看到对变量PIN的扫描计划参数如下。START100，表示变量PIN的扫描起始值为100DBM。STOP150，表示变量PIN的扫描终止值为150DBM。STEP10，表示变量PIN的扫描的间隔为10DBM。完成参数设置的扫描计划控件如下图13所示SWEPPLANPLAN1REVERSENOSWEPPLANUSESWEPPLANSTART100STOP150STEP10LINSWEPPLAN图13参数扫描计划控件2双击电路原理图中的变量控件VAR，可以看到其中的变量及其初始值设置如下所示PIN10DBM，表示PIN为变量，且变量PIN的默认值为10DBM。RFFREQ1GHZ，表示RFFREQ为变量，且变量初始值为2GHZ。完成设置的变量控件如下图14所示VARVAR1RFFREQ1GHZPIN10_DBMEQNVAR图14变量控件53执行仿真系统已经对这个例程中的仿真参数完成设置，因此在这里就不必再对增益压缩仿真的仿真参数进行设置。下面直接执行仿真并观察仿真结果。1单击工具栏中的【SIMULATE】按钮，等待仿真结束。2仿真结束后，系统弹出数据显示窗口，可以观察在放大器的1DB功率压缩点处输出信号的频谱，如图15所示。12340515010050020050FREQ,GHZDBMHB1HBVOUTSTANDARDHBDATA图15输出信号的频谱3除了放大器的1DB功率压缩点处输出信号的频谱，数据显示窗口中还给出了标准谐波平衡仿真得到的输出信号的频谱，如下图16所示1234567891011121314015302010010204030FREQ,GHZDBMHB2HBVOUTOUTPUTSPECTRUMAT1DBGAINCOMPRESSIONPOINT图16标准谐波平衡仿真得到的输出信号的频谱4数显示窗口中的方“GAINDBMHB1HBVOUT1HB1HBPIN”和方程“LINEARGAIN0HB1HBPIN”，如下图所示。根据这两个方程可以分别计算出增益压缩情况下和线性增益情况下放大器的增益。EQNLINE