增益压缩仿真报告

增益压缩仿真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。一、什么是增益压缩当放大器的输入功率增加到使放大器的增益降低且引起输出功率呈非线性增大时，便发生增益压缩。分析仪具有进行功率扫描以及频率扫描的能力。功率扫描有助于确定放大器的非线性性能为进行下面的讨论，参考下图（在单一频率上，放大器的输出功率随输入功率变化的曲线图）。图1放大器的输出功率随输入功率变化的曲线图1放大器具有线性工作区，这里，增益恒定不变而与功率电平无关。这个区域内的增益通常称为线性增益；2随着输入功率的增加，放大器增益开始下降，发达器进入压缩区；3放大器压缩的最普通测量是1DB压缩点。这定义为导致放大器增益有1DB减小（相对于放大器的小信号增益）的输入功率（或有时为输出功率）。二、为什么要测量增益压缩当用正弦波激励时，放大器的输出在压缩区不再呈正弦。某些放大器输出出现在谐波上，而不是只出现在输入信号的基频上。随着输入功率的进一步增大，放大器变成饱和，输出功率维持不变。这时，进一步增大放大器输入功率不会改变输出功率。在某些情况下，（如对行波管（TWT）放大器），在饱和之后输出功率实际上将随输入功率的继续增大而减小，这意味着放大器具有负增益。由于增益是放大器工作所需参数，故了解引起增益压缩的最大输入信号是重要的。三、增益压缩仿真设置增益压缩仿真多用于分析对电路非线性比较敏感的电路或系统，例如混频器，低噪放大器和功率放大器等。创建原理图，设置参数等，用功率扫描对功率压缩进行仿真。1增益压缩仿真控制器2增益压缩仿真设置控制器3参数扫描计划控制器4参数扫描控制器5节点设置和节点名6显示模版控件7线性预算控制器8增益压缩动态范围计算控件四、增益压缩仿真41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2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。42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HARMONICBALANCEHB1SWEEPPLAN“PLAN1“SWEEPVAR“PIN“ORDER15FREQ1RFFREQHARMONICBALANCE图3参数设置（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_MAXINPUTPOWER100GC_OUTPUTPOWERTOL1E3GC_INPUTPOWERTOL1E3GC_OUTPUTFREQ10GHZGC_INPUTFREQ10GHZGC_OUTPUTPORT2GC_INPUTPORT1GC_XDB1ORDER15FREQ1RFFREQGAINCOMPRESSION图4完成参数设置的参数扫描控制器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所示SWEEPPLANPLAN1REVERSENOSWEEPPLANUSESWEEPPLANSTART100STOP150STEP10LINSWEEPPLAN图5参数设置的扫描计划控件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所示VAR1RFFREQ1GHZPIN10_DBMEQNVAR图6变量控件43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，如下图所示。12340515010050020050FREQ,GHZDBMHB1HBVOUTSTANDARDHBDATA图7放大器的1DB功率压缩点处输出信号的频谱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，如下图所示1234567891011121314015302010010204030FREQ,GHZDBMHB2HBVOUTOUTPUTSPECTRUMAT1DBGAINCOMPRESSIONPOINT图8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。EQNLINEARGAIN0HB1HBPINEQNGAINDBMHB1HBVOUT1HB1HBPIN图9计算出增益压缩情况下和线性增益情况下放大器的增益（5）根据上图中的两个方程，可以得到在两种情况下系统的输入功率与输出功率的关系曲线，如下图所示。M2INDEPM2M22209813000M1PINM1229961300050510101505101520525HB1HBPINDBMHB1HBVOUT1READOUTM2PINLINEAR1图10系统的输入功率与输出功率的关系曲线6同样根据两个方程式，可以得到在某一输入功率下两种增益的差值，这个差值也就是增益压缩值，下图给出了这个差值的表达式以及当输入功率为13DBM时放大器的增益压缩值。7通过放大器的输出功率与增益的曲线和输入功率与增益的曲线可以清楚地看出放大器的增益压缩情况，这两条曲线如下图所示。0510152052585909580100DBMHB1HBVOUT1GAINGAINVSFUNDAMENTALOUTPUTPOWER图11放大器的输出功率与增益的曲线M3INDEPM3M38991335050510101585909580100AVAILABLESOURCEPOWER,PINDBMGAINREADOUTM3GAINVSAVAILABLESOURCEPOWERPIN图12放大器的增益的曲线8最终，在下图所示的数据列表中得到了放大器的输入和输出1DB功率压缩点。EQNCOMPRESIONM1M2COMPRESION0898图13放大器的输入和输出1DB功率压缩点这样就完成了对ADS增益压缩仿真的增益压缩仿真。五、学习心得通过在安捷伦（AGILENT）提供的平台ADSADVANCEDDESIGNSYSTEM这个平台上做了压缩增益仿真这个实验。增益压缩仿真是当放大器的输入功率增大到放大器的增益降低且引起输出功率呈非线性怎大时，便发生了增益压缩。测量增益压缩的目的是当用正弦波激励时，放大器的输出在压缩区不再呈正弦；或是随着输入功率的进一步增大，放大器变成饱和，输出功率维持不变；或是在某些情况下，（如对行波管（TWT）放大器），在饱和之后输出功率实际上将随输入功率的继续增大而减小，这意味着放大器具有负增益。由于增益是放大器工作所需参数，故了解引起增益压缩的最大输入信号是重要的。通过这个实验学习到了很多的知识1安装软件与快速入门软件的能力ADS是用于集成电路（IC）、封装、模块和电路协同设计的高频/高速平台。它帮助电路、封装、电路板和系统设计人员使用单个EDA平台共享仿真模型，并将通信产品设计的重复劳动、成本和时延降至最低。在软件ADS的安装到完成，将近花费半个小时，软件比较的大。之后，就是学习该软件，我们在网上到处找，结果视频很少，最后在优酷上找到一个比较完整的入门视频。2资料的搜集与整理通过在谷歌（GOOGLE）的搜索，发现很少有关于压缩增益仿真的文章，这确实是一个比较难的问题。我们能找到的只是零星的东西，后来，我们在一些中文网站上，只能找到一些比较的侧面的东西。我们这个组在一天的搜集中，收获很少，而且大多搜集的都是相似的资料。后面，我们转向搜集关于这个方面的英文资料，在英文的网站上搜集了一些比较有用的资料。3增益压缩项目的实施学习认知无线电之前，增益压缩这个词，第一次听说，根本没有这个方面的概念。而且跟糟的是ADS这个软件比较的专业，我们没有一个人会操作。这样的一个局面下，我们只能找到该实验的技术文档，作出实验才是比较务实的方案。在一次对软件的熟悉的过程中，我们这个小组无意中在ADS这个软件中发现了关于我们这个实验的完整方案。这让我们对这个项目的成功信心倍增。我们之后确定了实施实验的步骤，就是在现有的程序的基础上，对官方提供的方案进行设置和改进。从而变成自己的东西。但是，实事并不是像我们想的那么简单，很多一个细微参数的更改，导致实验根本不能得出结果，或是编译时就会出错。通过很多次的尝试后，决定还是先搞清原理后，再设置参数。后面，通过大家的努力，问题基本得到了解决。从认知无线电开课到现在，老师以一种开放式的教学，让我们大家有很多自主学习的时