谐波平衡法仿真

1、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 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

2、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

3、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。 谐波平衡法仿真 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，

4、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 Sweep Plan：参数扫描计划控制器 PrmSwp：参数扫描控制器 Term：终端负载 Disp Temp：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

5、元件 谐波平衡法仿真 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7-1 HB参数仿真面板 谐波平衡法仿真 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

6、（Foundamental Frequency）、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】、【Intial Guess】、【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。

7、 谐波平衡法仿真 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 Maximum mixing order最大混频次数混频后频率成分的最大次数 Status Level 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7-3 Freq参数设置 图7-4

8、Sweep参数设置 谐波平衡法仿真 参数名称参数描述说明 Parameter to sweep需要扫描的变量必须是原理图中设置的变量 Sweep Type扫描类型 Linear：线性扫描 Single Point：单点仿真 Log：对数扫描 Start/St op Start变量扫描参数的起始值 变量扫描范围设定为Start/Stop Stop变量扫描的终止值 Center/S pan Center变量扫描中心值变 量 扫 描 范 围 设 定 为 Center/Span Span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. of pts.变量扫描点数

9、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 Use sweep plan是否使用扫描计划 若使用，则要添加“SWEEP PLAN” 控件，并在控件中进行相应设置 表7-2 Sweep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。 谐波平衡法仿真 图7-5 振荡器分析参数设置 图7-6噪声分析参数设置 （5）Sma

10、ll-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。 谐波平衡法仿真 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 谐波平衡法仿真 3参数扫描计划控制器 参数扫描计划控制器（SWEEP PLAN）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

11、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（PARAMETER SWEEEP）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。 谐波平衡法仿真 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（HB NOISE CONTROLLER）如

12、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。 谐波平衡法仿真 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

13、）名称。 图7-16节点设置 图7-17 节点名 谐波平衡法仿真 （2）显示模版控件和仿真测量等式控件 显示模板控件（Display Template）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

14、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 谐波平衡法仿真 （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

15、，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。 谐波平衡法仿真 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

16、）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7-28 N阶截止点分析控件 图7-29信噪比分析控件 谐波平衡法仿真 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

17、 中选择“PARAMETER SWEEP”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。 7.4 ADS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“View Example Directory”，在文 件管理区中查看ADS的仿真实例。 谐波平衡法仿真 在文件管理区中找到“Tutorial/SimModels_prj”，双击打开工程。 在工程

18、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7-30 HB1电路原理图 （2）双击 控制器，设置相关参数： Freq1=20.0 MHz Order1=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。 谐波平衡法仿真 204060801001200140 - 100 - 50 0 - 150 50 f r eq, M H z dB(Vout / Vi n 0 ) R eadout m 1 m 1 f req= dB(Vout / Vi n 0 )=27. 887860 20. 00000M H z Fundam

19、ent al and H arm oni c O ut put Vol t ages R el at i ve t o I nput Vol t age 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“View Example Directory”，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。 谐波平衡法仿真 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

20、下： Num=1 P=dbmtow(-10)，式中dbmtow( )用于将功率单位转化为dBm Freq=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_swp MHz Order=8 Parameter to sweep=freq_swp Sweep Type=Linear Start=500 Stop=1500 Step=25 谐波平衡法仿真 123456708 -80 -60 -40 -100 -20 harm i ndex dB(Vout ) （6）VAR控件参数设置如下： 在【Varia

21、ble or Equation Entry Mode】下拉菜单中选择Name=Value项 在【Seleer Parameter】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。 谐波平衡法仿真 600. M800. M1. 00G1. 20G1. 40G400. M1. 60

22、G -21. 4 -21. 3 -21. 2 -21. 5 -21. 1 f req 1 , H z dB(Vout 1 ) harm i ndex f req_sw p=500. 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f req_sw p=525. 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f req_sw p=550. 000 0 1 2 3 4 5 6 H B2. . f req 0. 0000 H z 500. 0 M H z 1. 000 G H z 1. 500 G H z 2. 000 G H z 2. 500 G H z 3. 000 G H z 3. 500 G H

23、z 4. 000 G H z 0. 0000 H z 525. 0 M H z 1. 050 G H z 1. 575 G H z 2. 100 G H z 2. 625 G H z 3. 150 G H z 3. 675 G H z 4. 200 G H z 0. 0000 H z 550. 0 M H z 1. 100 G H z 1. 650 G H z 2. 200 G H z 2. 750 G H z 3. 300 G H z 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

24、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。 谐波平衡法仿真 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_Freq Domain”元件面板列表中选择P_1 Tone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=1.9 GHz Z=50 Ohm P= d

25、bmtow（-40） Num=1 图7-36 RF源设置 谐波平衡法仿真 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 Freql=1.9GHz基波频率为1.9GHz Order1=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(Vout1)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

26、值表示为： index0是直流，indexl是1900MHz，index2是二次谐波即3800MHz。index3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。 谐波平衡法仿真 图7-39 HB_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Freq1=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 谐波平衡法仿真 图7-40 仿真警告信息 重新设置谐波平衡控制器

27、频率，Freq1=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； 1234506 -80 -60 -40 -20 -100 0 f req, G H z dBm (Vout ) R eadout m 1 m 1 f req= dBm (Vout )=-4. 876 1. 900G H z 图7-41 输出信号频谱图 谐波平衡法仿真 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-

28、42所示。 dbm _out - 4. 876 图7-42 输出信号的功率值 -2 0 2 -4 4 ts(Vi n), m V R eadout m 2 m 2 t i m e= t s(Vi n)=233. 5uV 400. 0psec 0. 20. 40. 60. 81. 00. 01. 2 -100 0 100 -200 200 t i m e, nsec ts(Vout), m V R eadout m 3 m 3 t i m e= t s(Vout )=-32. 22m V 400. 0psec 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。

29、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 谐波平衡法仿真 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。 2 3 4 1 5 t s(VC ), V R eadout m 4m 4 t i m e= t s(VC )=4. 128 V 400. 0psec 0. 20. 40. 60. 81. 00. 01

30、. 2 790 800 810 780 820 t i m e, nsec t s(VB), m V R eadout m 5 m 5 t i m e= t s(VB)=784. 1m V 400. 0psec 图7-44 VB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。 freq 0. 0000 H z 1. 900 G H z 3. 800 G H z 5. 700 G H z M i x 0 1 2 3 Vout 0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 199

31、0. 001 / -170. 939 1. 963E-5 / 46. 135 图7-45 Mix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）。 谐波平衡法仿真 freq 0.0000 Hz 1.900 GHz 3.800 GHz 5.700 GHz M ix 0 1 2 3 Vout 0.000 / 0.000 0.180 / -14.199 0.001 / -170.939 1.963E-5 / 46.135 dBm (Vin) -40.214 -82.943 -111.162 通过双击列表，进入“Plot Traces & Attribute

32、s”对话框。点击 按钮。如图7-46所示。在“Enter any expression”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。 f req 0. 0000 Hz 1. 900 G Hz 3. 800 G Hz 5. 700 G Hz M i x 0 1 2 3 Vout 0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 199 0. 001 / -

33、170. 939 1. 963E-5 / 46. 135 dBm (Vi n 1 ) -40. 214 图7-48 参数数据表 将光标插入dBm(Vin1）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。 谐波平衡法仿真 f req 0. 0000 Hz 1. 900 G Hz 3. 800 G Hz 5. 700 G Hz M i x 0 1 2 3 Vout 0. 000 / 0. 000 0. 180 / -14. 1. . . 0. 001 / -170. . . . 1. 963E-5 / 46. . . dB

34、m (Vi n 1 , 50) -40. 214 图7-49 参数数据表 6.输入功率和Zin。 在HB_basic设计中，从“Probe Compenents”元件控制面板中调出电流指示器 控件（current probe），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。 Eqn P_del _dbm =10*l og(0. 5*real (Vi n 1 *conj (I _i n. i 1 )+30 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

35、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。 谐波平衡法仿真 Eqn Z_i n=Vi n/ I _i n. i freq 0. 0000 H z 1. 900 G H z 3. 800 G H z 5. 700 G H z Z_i n 47. 619 / 0. 686 50. 000 / -180. 000 50. 000 / -180. 000 dBm (Vout1) -4.876 dBm (Vin1,Z_in1) -40.003 P_del _dbm -40.003 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

36、。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(Vout1)、dBm(Vin1，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

37、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。 谐波平衡法仿真 【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，Freq1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

38、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7-56 XDB仿真控制器 在【Simulation】【Simulation Setup】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。 谐波平衡法仿真 f req 0. 0000 H z 1. 900 G H z 3. 800 G H z 5. 700 G H z i npw

39、 r -30. 67 dBm -30. 67 dBm -30. 67 dBm -30. 67 dBm out pw r 3. 499 dBm 3. 499 dBm 3. 499 dBm 3. 499 dBm i npw r 1 -30. 669 out pw r 1 3. 499 图7-57 inpwr和outpwr数据列表图7-58 inpwr1和outpwr1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

40、7-59禁用增益压缩控制器 图7-60 添加变量后的VAR控件 谐波平衡法仿真 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=-50 Stop=20 Step=1 Order1=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】【Simulation Setup】，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

41、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 谐波平衡法仿真 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。 -45-40-35-30-25-50-20 -10 -5 0 -15 5 R F_pwr dbm _out R ea

42、dout m 1 m 1 R F_pw r= dbm _out =3. 358 -31. 000 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。 Eqn db_gai n=dbm _out -R F_pw r 图7-65 计算增益等式 谐波平衡法仿真 在图7-64中添加dB_gain曲线，如图7-66

43、所示。从图中m1及m2对应的值来验证db_gain方程的正确性。 -45-40-35-30-25-50-20 -10 0 10 20 30 -20 40 R F_pwr db_gai n R eadout m 2 dbm _out R eadout m 1 m 2 R F_pw r= db_gai n=34. 985 -34. 000 m 1 R F_pw r= dbm _out =0. 985 -34. 000 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。 Eqn l i

44、 ne=R F_pw r+db_gai n 0 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。 谐波平衡法仿真 -45-40-35-30-25-50-20 -10 -5 0 5 10 15 -15 20 R F_pw r dbm _out l i ne 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。 -14-1

45、2-10-8-6-4-2024-166 26 28 30 32 34 24 36 dbm _out db_gai n R eadout m 3 m 3 dbm _out = pl ot _vs(db_gai n, dbm _out )=34. 358 3. 358 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 谐波平衡法仿真 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

46、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Freq1和 Freq2，如图7-71所示。 （4）修改谐波平衡控制器，加入另一个频率Freq2及数值，同时修改 Freq1，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 谐波平衡法仿真 （5）整体原理图如图7-73所示。 图7-73 HB_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

47、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 谐波平衡法仿真 2468101214016 -150 -100 -50 -200 0 freq, G H z dBm (Vout ) R eadout m 1 m 1 f req= dBm (Vout )=-4. 935 1. 895G H z 1. 851. 95 -150 -100 -50 -200 0 freq, G H z dBm (Vout ) R eadout m 1 m 1 f req= dBm (Vout)=-4.935 1.895G Hz 图7-74输出

48、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-1,21.885GHz，max0,47.580GHz 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【Trace Type】选项卡显示类型选择“Spectral”；在 【Trace Expression】选项卡中，在“Trace Expression”

49、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。 谐波平衡法仿真 f r eq 0. 0000 H z 10. 00 M H z 20. 00 M H z 30. 00 M H z 40. 00 M H z 1. 865 G H z 1. 875 G H z 1. 885 G H z 1. 895 G H z 1. 905 G H z 1. 915 G H z 1. 925 G H z 1. 935 G H z 3. 770 G H z 3. 780 G H

50、 z 3. 790 G H z 3. 800 G H z 3. 810 G H z 3. 820 G H z 3. 830 G H z 5. 675 G H z 5. 685 G H z 5. 695 G H z 5. 705 G H z 5. 715 G H z 5. 725 G H z 7. 580 G H z 7. 590 G H z 7. 600 G H z 7. 610 G H z M i x( 1) 0 1 2 3 4 - 3 - 2 - 1 0 1 2 3 4 - 2 - 1 0 1 2 3 4 - 1 0 1 2 3 4 0 1 2 3 M i x( 2) 0 - 1 - 2

51、- 3 - 4 4 3 2 1 0 - 1 - 2 - 3 4 3 2 1 0 - 1 - 2 4 3 2 1 0 - 1 4 3 2 1 Eqn Tones= -1, 2, 0, 1, 1, 0, 2, -1 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 m 2 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-5. 002 1. 905G H z m 3 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-4. 935 1. 895G H z m 4 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 835 1

52、. 915G H z m 5 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 163 1. 885G H z 1. 8901. 8951. 9001. 9051. 9101. 8851. 915 -40 -30 -20 -10 -50 0 f req, G Hz dBm (m i x(Vout , Tones) R eadout m 2 R eadout m 3 R eadout m 4 R eadout m 5 m 2 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-5. 002 1. 905G H z m 3 f req= dBm (m i x(

53、Vout , Tones)=-4. 935 1. 895G H z m 4 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 835 1. 915G H z m 5 f req= dBm (m i x(Vout , Tones)=-46. 163 1. 885G H z 图7-78 理想频谱的频谱图 谐波平衡法仿真 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-order Intercept Point）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

54、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 谐波平衡法仿真 （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

55、所示。 双击数据列表，弹出对话框选择【Plot Options】选项卡，不选中 “Display Indep.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。 l ow er_t oi 15. 679 upper_t oi 15. 914 图7-80 lower_toi和upper_toi的值 Eqn m y_t oi =i p3_out (Vout , 1, 0, 2, -1, 50) m y_t oi 15. 914 （4）在数据显示窗口，插入另外一个方程，如图7-81所示，计算三阶交 调系数。并显示该数据，如图7-82所示。 图7-81 my_toi方程 图7-82 my_toi数据表 因为运用了同一函数ip3_out，所以得到的值是相同的。唯一不同的是my_toi数据是仿真 后得到的。 谐波平衡法仿真 2用RF功率扫描精确计算TOI (8)以HB_toi为名字另存设计HB_2Tone，设置谐波平衡仿真控件进行RF功率 扫描，如图7-83所示。扫描变量为RF