试验7谐波平衡法仿真

1、实验七、谐波平衡法仿真概述本练习将继续进行 1.9G 放大器( amp_1900) 的设计和给出谐波平衡仿真器的 根本知识，谐波平衡仿真能分析频谱、压缩输出功率，计算 TOI 和其它一些非线性 测量。任务建立并运行一个基频谐波平衡仿真。建立并运行一个双频谐波平衡仿真。 应用仿真和源控制的变量。 测试增益，压缩功率输出，资用功率，噪声系数，三阶交调(IP3 )和其它一些特性。在谐波平衡 (HB) 数据中运用 ts (时间序列)变换。 方程式、平面曲线和 MIX 表格的操作。目录1. 建立一个具有 P1基频源的电路 ？1162. 建立一个单音( one-tone) 谐波平衡仿真 ?1163. 对

2、Vout 以 dBm 为单位写一个测量方程式并仿真 ？1164. 对频谱、方程和节点电压的 ts (时间序列)作图 ？?？1175. 运用函数和索引对 Vout 和 Mix 进行操作 ？1186. 对传递功率和 Zin 进行仿真 ？1207. 运用 XDB 仿真器对增益压缩进行测试 ？1218. 对扫描的功率的压缩状况进行仿真 ？1229. 对不同的增益、功率和线性方程作图 ？12410. 带变量的双音( two-tone )谐波平衡仿真 ？12511. 运用方程获取和控制谐波平衡数据 ？12612. 对 IP3 或 TOI (3 阶交截点)仿真 ？12713. 选作一针对 TOI 测量作 R

3、F 功率扫描 ？128步骤1 建立一个具有P-I基频源的电路a 如果文件system_prj仍然翻开，就关掉它。然后，翻开任务amp_1900和原理图 s_final。b 用一个新名称：hb_basic保存原理图s_final。删除所有仿真测量组件及输入 端口 Term。如下列图一样开始建立设置。c.为RF输入端插入一个 P_1 Tone 从source_Freq Domain 面板调入。d .如图示输入 4 个 pin labels node names 节点名：Vin , Vout, VC 和 VB , 这样电压在数据组dataset中是可用的。I P l于瞥破平衝祛&注意默丸的 功京没宣

4、有權性e 如图设置RF源：Freq 频率=1 900MHz，同时，去掉极性Polar函数， 只剩 dbm_to_watts 函数：P=dbmtow - 40。同 时将源 的名称转换为RF_source。端口数被定义为Num=1。3. 对 Vout 以 dBm of Vout写一个测量方程式并仿真RF sourceNurri=lI50 OhmP=dbtntow-4Q)Fr eq-1 GHz2. 建立一个单音谐波平衡仿真a .进入Simulation-HB面板并如下列图在原理图上放入谐波平衡仿真控制器。b .在屏幕上进行频率设置：改变频率为Freql=1900MHz，使其与P_lTone源的频率相

5、匹配。1 Freq班须与派|的频率相匹0己:U:；。=- .HARMONIC BALANCE 1| Orcfe是谐疔HB1nonicBalance|枝的饰竹7? Freq1 =1900 MHzJ Order(1=3a. 从仿真面板中，在原理图上插入一个测量方程(measurement equation )。b. 写一个方程式，计算在 Vout点的输出功率 用dBm 表示：dbm_out=dBm(Vout:1),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：index0是直流，indexl是1900MHz , index2是二次 谐波即3800MHz。ind

6、ex3是指三次谐波。 因此，方程式应只表示以 dBm表 示的1900MHz的输出功率。怦| MeasEqnIton口Measl dbm_out=d bm(Vout1)c .仿真一现在应该没有任何警告和错误信息。d .改变谐波平衡控制器的频率为：Freq1=1800MHz 。现在，再次仿真，并阅读错误信息 一源的频率与谐波平衡器频率1800MHz相差100MHz。当源频率 与控制器频率不同时，就会出现这种常见的错误。e.重新设置谐波平衡控制器频率，改为： Freq1=1900MHz并再次仿真4. 对频谱、方程和节点电压的ts (时间序列)作图a .在数据显示中，对 Vout(dBm)作图。同时，

7、插入一个dbm_out列表。无论你 何时写入一个测量方程，该列表都将出现在数据组中。这两个值应该与下列图所示相同。b.把一个Marker (标记)放在基频上，并验证你的放大器在1.9GHz频率点上当输出功率 dBm=-4.876时，是否有大约 35dB的增益。0J 讥5 讦狀，盘祷 91E.4D . +5 世口 岳 dbm out-4.876结果的备注：假设在仿真控制器中将Order设为3，你将得到3个频率： 一个基波和两个谐波。DC成分也总是出现在图中，因为谐波平衡法总是要计 算DC的收敛。c .插入一个stacked矩形图并插入两个数据轨迹作为时域信号：Vin和Voutts 时间序列函数作

8、用于谐波平衡法并将结果转换到时域。在这个例子 中，你将发现放大器并不是如你希望的那样转换信号。在下列图中这两个信 号被别离成两个图。如图示把 Maker放在同一时间点。矽牛15Q 10D50-5D- -100- 150- 邑二ooaEtlrnfl. nsac5. 运用函数和索引对 vout和mix进行操作a如下图插入一 Mix和Vout的列表。不管谐波仿真何时运行，在数据组中就会产生一个Mix表格索引值。注意到除非你是用的是dB, dBm,等单位，否那么Vout是一个复数幅度和角度。在下面的步骤中，你将学会在 Mix表 格里怎样列方程以显示或对一个特定的频率进行操作与方程式。不管是在多音还是混

9、频发生的情况下，这都特别有用M 1 Tr nrr* 1 Al t ribui r a：(lAdd Vi. ,;1SC0MHz=l 时 的索引值WS7MiKI00jdD/-14l993 加OGH?HOOT 壯 17033?S.7S0 GHf3 983/.135MiH*b.编辑列表并参加 Vin。通过双击列表，进入“ Plot Traces & Attributes 对话框。点击 “Advaneed按钮。过输入 dBm函数，编辑 Vin : dBm(Vin )，然后点 OK。.请注意不管你何时变量信息或函数帮助按钮都会出现。i!vnnf-rA Tr irr bnl ry ； (I砂口1* 环hkt

10、e II pM曲审 onpUL 耐& lb 4*4nd be plQlledTdp= orfreq 7VcutMixdbm(Vin)dbm cut_aiBjaocooa Hz S00 GHz 3.800 GHz 5.700 GHZ 000； 0.0.O.Q0HJ 1963E-5A.; -40 214 -82.943-4876c现在你的列表中应包含原理图的方程dBm_out和表达式dBm(Vin)(对所有的频率)。现在，通过键入在 Vin自变量中的索引值1来编辑dBm(Vin)freqVoutMM-dbrmVin1)0 0000 H2 1900 GHz 3 800 GHz 5 700 GHz0

11、000/0 00 180/-1.0 0Q11963E-5/r-40.214 -4rfi75数据(如下图)。现在就得到在索引频率或1900MHz下的Vin的值d 在dBm_out方程式中输入11的格式被索引的。它会变为无效，因为在原理图中它是以|.Mixdbm(Vin(i)dbm_out(l Enval0-40.214.e .从无效的dBm_out方程中去掉1，这使得dBm_out方程再次有效。f如下列图所示，将光标插入dBm(Vin1 )表达式并键入逗号，和50，如 图所示。dBm函数中第二个自变量是Zin。如果自变量没有给出，默认值就 是50 Q,因此不需要任何改变。去掉“，和“ 50，即“

12、，50，再读一次 dBm ( Vin1)的值。|_北m v(n i ：号i| |0 1IF. 一叮140J214-4.B76JfeAZjn=50f 作为二阶自 变ft；并哋号祈关于设计中dBm 函数和Zin的备注：dBm函数是将电压值转化为 dBm 表示。(在假定50 Q阻抗的前提下)。但是，如果 Zin并不是50 Q,贝U Vin 的功率可能不正确。因此，想正确使用的 Zin值，参看下面的步骤。6. 对传输功率和 Zin进行仿真。a .在hb_basic设计中，从Probe Compenents 面板中调出一个电流指示器(current probe )，改变实例名为ln,你将会在一个方程中用

13、到它。添加电流指示器b .仿真完后，运用I_in为平均传输功率写一个数据显示方程。注意：0.5表示峰值的平均值。conj函数将复数电流转换为它的共扼形式。因为V&I 一定在相位中有耗散功率，将电压转换为dBm后再加30(相当于除以0.001)。EqnP del dBm10*1og (O.SealfVinlirconjCIJnJtl) + 30c. 如图，运用在1900MHz处的Vin和l_in另写一个方程式计算Zin。然后，插 入一个Z-in方程列表。注意到复数阻抗并不是50。d 编辑你前面的dBm(vin1 )的列表并删除dbm_out,参加方程式P_del_dBm. 同时参加另一条Vin轨

14、迹，并编辑轨迹表达式为：dBm(Vin1,Z_in)现在，你有 三种方式计算和比拟输入功率了。请注意其中有两个值是相同的。使.阿7栩f使用Zi厂1d0ni(Vin1J丨PcIBhiI-402:14,00340.0037 运用XDB仿真器对增益压缩进行测试XDB仿真控制器是一个谐波平衡仿真中专门用于增益压缩的仿真器。a 保存你目前所有工作：原理图和数据显示器，以一个新名称hb_compression保存原理图。然后，关闭hb basic数据显示。b 在新的原理图中，禁用(deactivate ) HB1控制器。HB10dXrl-5.色色 p 访(評ft Fc.进入simulation_XDB 面

15、板并在原理图中插入XDB控制器。在屏幕上编辑控制 器，使得Freq1和GC输入/输出频率都是1.9GHz,如右图。参数GC_xdB=1 表示测试的是1dB压缩。如果你想考察3或6dB压缩，改变值就可以了。谥 GAIN COMPRESSIONHB2Freq|11*GC_XdB1 GCnputPon=1 GC .oirt put Port=Order|13GCnpKFreq-1 9 GH? /GC2OulputFrfrq=1.9 GHzGCnpurPowerT qII e- 3 GC Output Pov圧 fT ok 1e-3 GCMaxI nput Powe r* 100d .在Simulat

16、ion Setup 中，改变数据组名为hb_xdb,然后仿真。e 当数据显示翻开后，调入inpwr和outpwr的列表。通过直接在数据后参加一 个1来编辑列表(如下图)。如果希望有标题，也可以如图参加标题。你 刚刚运行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一 29dBm处。后面步骤中，你将改变原理图和 设置一个谐波平衡功率扫描 一这是测试压缩的另一个方法。I|ID OMO h i-3&fi7 d 伽3 494 dBn140 客第 dBii3 4& dBmSEOCfGHi30CT ：匪血3 4&a dBtnSTOCGhi心帥丫3 砌Gam Comp

17、ression at 1900GHztppwfl 3 uTpwrftfe 厂 -30j671 I 3,49S8 用功率扫描对压缩状况进行仿真。a .禁用XDB，激活HB控制器GAINCCJPRESS5ONXDBFrfrqPll.9 GHzOrder 1J=3 先.fXdB = 1InpulPorl廿童严 電 OulputPori=Z 怏 1npu1Freq=1,9 GHz OutpLitFreq=1.9 GHz Inpul Pow9rTol=1c-3 OLitputPowrTal1aGCGOGCGCGCGCGCM npui P qwer=_t(W_b 插入一个VAR的变量方程，RF_pwr=

18、-40。 rvan VAREqnVAR1RF_pwr=-40c .设置RIF源的功率变量为： P=dbmtow(Rf_pwr)i PORTiLN ne耳冲 2-50 Ohm-T Pdbrntow(RF_pwr)Freer* .9 GH;d 编辑谐波平衡HB控制器，在扫描sweep 这一栏，设置RF_pwr扫描 从-50到-20，步长为1，如下图。f 1 CH I 115 計 J口口丨匚DHB1Freq1=1900 MHzOrder(1)=3Sweep Va 严R F_pwTStart=-50Stop=-20Step=1e进入Display这一栏并设置 SweepVar,它的值将在 HB控制器元

19、件上显示如 上图所示。f改变数据组名为：hb_comp并仿真。当数据显示翻开时，选择NO来改变数据组一一这将使得XDB数据作为默认数据组有效。现在，你应能准确地 画出hb_comp数据 这是一个普通的练习。g 插入一平面图并选择hb_comp数据组，然后画出原理图测量方程式dbm_ out.在轨迹上插入一个 Marker。插入点是RF_pwr的值靠近XDB inpwr值：-31的 地方。正如你看到的，两个值很接近但不同，这是因为扫描方法不同XDB仿真通常用更紧密间隔的数值扫描。T r t | jjb-L4_ Im3RF_pwr=-31.000d b m_out=3,358inpwrfl-30.

20、6713.4989 对不同的增益、功率和线性方程作图dBngaina. 用dbm_out测量方程式写一个 dB_gain方程。从dBm_out减去线性化的输入 RF_pwr,得到的结果是在所有RF输入功率值的增益的值。hb_comp. ,dbm_out 亠 hb_comp . RF_pwrb 编辑dBm_out图并参加dB_gain方程丫轴刻度将自动调整。你可以加入Markers比拟在同一 RF功率下两者的值如下图 。c 为画出 dB_gain与输出功率之间的关系曲线，插入一新的平面图，参加dB_gain方程并点击AddVs.然后，选择hb_comp数据组和X轴的独立变量:dBm_out并点击

21、OK,如图增益有明显下落。用J1H T/yr 丨 F丄砒 Opi!s Marker读出其数值。d 再写一个方程式，用line生成一条线性直线extrapolated data 推断数据，RF功率，在第一个数据点0这代表没有压 缩的理想输出功率。对每个点的 参加没有压缩的增益，你将得到理想增益或直线Eqnline=hb_comp.RF_pwr + dB_gainOc.插入一个dBm_out的新图用hb_comp的数据同时参加Line直线。明显 可以看出放大器与线性输出功率直线偏离。f 保存所有的作业10.带变量的双音谐波平衡仿真在下面几个步骤中，我们将看到在仿真控制中更多地用到变量。这对于在以

22、后几个实验中， 复杂电路的化简和计算是很重要的，同时，对于使用了该仿真控制的ADS范例也是很重要的。a .用一新名称hb_2Tone保存上一个设计b 编辑VAR，并对RFreq和spaci ng参加变量，如下列图所示。这里没有要 求Vbias 电压偏置 一如果你前面做了选作练习，那么 Vbias可以加也可以不團如VAR1RFJreq= 1900 MHzRF_pwr=-40 spacings 10MHz在VAR单元里的备注一这里设置的单元不要在其它地方设置它们，否那么 在其它仿真中它们也可能同时起作用。c 改变源为P_nTone,并对其编辑使具有双音：Freq1和2都具有RF_pwr, 如下图。

23、P0RT1Num=1Z=50 OhmFreq1=RF_freq + (spacing /2) Frec)2)-RF_freq - (spadng f 2) P1=Sbmtow(RF_pwn P2=dbmi ow(RF_pwr)d 编辑谐波平衡控制器：参加另一个频率 Freq2及数值，如图示，使用Spacing变量1/2。同时，对两者设置 Order=4 , MaxOrder=8。这个例子中，RF双音间隔5MHz 。HARMONIC BALANCE| Freq(1为一不变:t |2I QrJ叫哀 I 示?!对“珂1I 计WHB1MakOrdef=8 叱.-十* Freq1 l=f?F_freq

24、+ spacing I Heql 打二R匚ceq spacing / Orderll=4 叩- u 北小 Order2l=4e .从控制中去掉 RF_pwr扫描：可以通过从屏幕或在对话和显示中去掉它。 同时，去掉其它控制器或不想要的元件并再次保存设计图。f仿真并作出以dBm表示的Vout的频谱图。在1. 9GHz附近放置一个Marker, 你可以发现不能看清其附近的谱。为了看到这些互调成分，你可以将图放大，也可以改变X轴刻度。尽快地尝试使用这两种方式，因为下面我们将介绍有关使用方程的技巧。m311 .运用方程获取并控制谐波平衡数据a .为所希望的频谱to nes创立一个矢量矩阵索引值。为此，写

25、出一个 频率方程，如下图。这个方程用方括号建立一个矩阵。方括号里面的大括号给出mix表格的索引值。在这个例子中，数字 1代表具有调节间隔的 RF频率，零代表没有频率成分如同直流 ，“2代表对RF仿真频率的 两倍。lones = 1.0,(0JJ2,-1h1r2b .插入一个以 dBm表示Vout频谱的矩形图。如图，使用Trace Optio ns 轨迹选择编辑the Trace Expression 轨迹表达式，如下图。使用圆括号 输入：dBm mix Vo nt, tones,同时，设置频谱的Trace Type 曲线类型。c.图中应该显示的是你设定的四个频率点的频谱10MHz间隔。证明方法

26、如下：插入一个Mix的列表，表格Mix中的索引值是你在tones方程中指定的 频率。这就是通过方程获得并控制谐波平衡数据的方法。眄& JO：三阶交截点仿真12 .对 IP3 或 TOI (third order in tercecta.在hb_2Tone原理图上，插入两个谐波平衡IP3out测量方程。一个为上边频， 另一个为下边频。许多测量方程都要求双音即双频。因此，如右图所示用 upper 禾口 loweruppeF_toi=P_out(VouM1.02rUr50)ipo2lowstp3_o utfVout. (0,1, -1,2t50)b. 请注意默认的节点标记Vout，矢量 1 , 0和

27、阻抗50。为了使电路与这些值匹配，将vout改为Vout 上面例子为v 。然后，根据最近一次仿真得到的mix表格设置索引引值，如下图只有1 9C5 GHzU915GH?lower_toi需要改变)0 Idc 检查方程的正确性，然后仿真。d 在数据显示中，列出两个测量方程的值，如右图所示。使用Plot选项去掉独立变量。这时，放大器TOI值比拟合理而且几乎对称。lower,15, .口upper toi 1d15.914lJie作为一个使用ADS函数控制数据的练习，在数据显示器为同一测量写一方 程，如下列图所示。然后如图一样对其列表(my_toi)。因为运用了同一函数ip3_out,所以你得到的值

28、是一样的。唯一不同的是它是仿真后得到的。同时，在这个实验15.914f.作出以dBm表示的vout的频谱图，并在图上放大(zoom in)观察你刚刚仿真的双频。 把Marker放在上边基频和3阶频率上 一这些应该与在Mix表格中的频率值匹配。备注一你可以容易地返回到原理图上，调节间隔 VAR值并再次仿真。所 有的方程、图和表格都会刷新为新的数据。这就是为仿真和数据显示使用变 量的价值。g 保存原理图和数据显示。关于混频器测量的备注一如果你要设计混频器，在仿真控制器中，本振 (LO)应为Freq : 1，因为它有最大功率。同时，在测量方程中，你应该 把双音数据当作三音处理：本振 LO，上边频RF

29、1和下边频RF2。例如，作 为一个下变频器的上边频IP3方程，将引用下面的索引值： -1 ,1 , 0,-1 , 2, I，这里“-1 代表的是本振信号音。13 选作一一针对TOI测量作RF功率扫描本步骤说明当输入功率使的器件工作点趋向于压缩点时，对TOI的影响。总的来说，许多测量在指定的要求下被精炼而得到更好的测量结果。为到达这个目的，你必须有一个像ADS这样具有强大功能的非线性仿真器和数据显示的工具。a 用hb_toi为名字另存设计hp_2Tone，设置谐波平衡仿真控制作 RF功率 扫描，如右图范围从-45dBm到-30dBm。你已经测到 1dB压缩点(RF输128入功率约为-3ldBm，

30、同时你也完成了TOI的测量大约15dBm法 HARMONIC BALANCEHB1MaxOrder=8FreqtlJsRFfreq + spacing/2Freq2=RFrec| * spacing / 2 Orderfl =4SwMpVaRFjwT1 IStart=-45Stop=-30Step=1 b 仿真并观察在数据显示中的变化。c. 编辑My_toi列表，使其包括独立数据RF_pwr。增加列表的宽度使其所有 数据中都能展现出来。正如你看到的，随看RF_pwr的增大，TOI变化逐渐变大。但是，变化并不是线性的。下面的操作将更细致地表现这种 变化。16.11016.08616.C57 16

31、.018 16.973IC.jH15.841U.S529.8247.7956.6375.9295,3054.8834,741谒曲5吕46.0001 44,000 -*3.000 -42X00 -*1 000 40.000 39.000 &8.000 -57.000 -36.C00-34,000 -33.000 -12,000 31jOoq -30.000d .把 my_toi 列表转变为一个 Rectangular Plot 矩形图Plot Options 一点击图形类型图标。然后就在这个图上，插入以dBm表示的Vout,同时编辑轨迹表达式。再回到RF上边频，如下列图所示，现在你能看到在这个频率下