实验七谐波平衡法仿真.docx

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实验七谐波平衡法仿真

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基本知识，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。

1.建立一个具有P＿1基频源的电路………………………………………116

2.建立一个单音（one-tone）谐波平衡仿真…………………………………116

3.对Vout以dBm为单位写一个测量方程式并仿真………………………116

4.对频谱、方程和节点电压的ts（时间序列）作图………………………117

5.运用函数和索引对Vout和Mix进行操作………………………………118

6.对传递功率和Zin进行仿真……………………………………………120

7.运用XDB仿真器对增益压缩进行测试…………………………………121

8.对扫描的功率的压缩状况进行仿真……………………………………122

9.对不同的增益、功率和线性方程作图……………………………………124

10.带变量的双音（two-tone）谐波平衡仿真………………………………125

11.运用方程获取和控制谐波平衡数据……………………………………126

12.对IP3或TOI（3阶交截点）仿真…………………………………………127

13.选作一针对TOI测量作RF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仍然打开，就关掉它。

然后，打开任务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）。

如下图一样开始建立设置。

c．为RF输入端插入一个P_1Tone（从source_FreqDomain面板调入）。

d．如图示输入4个pinlabels（nodenames节点名）：

Vin，Vout，VC和VB，这样电压在数据组（dataset）中是可用的。

e．如图设置RF源：

Freq（频率）=1900MHz，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。

2.建立一个单音谐波平衡仿真

a．进入Simulation-HB面板并如下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Freq[l]=1900MHz，使其与P_lTone源的频率相匹配。

3.对Vout以dBmofVout）写一个测量方程式并仿真

a．从仿真面板中，在原理图上插入一个测量方程（measurementequation）。

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：

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，方程式应只表示以dBm表示的1900MHz的输出功率。

c．仿真—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：

Freq[1]=1800MHz。

现在，再次仿真，并阅读错误信息—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：

Freq[1]=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，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。

结果的备注：

若在仿真控制器中将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Vout。

ts（时间序列）函数作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。

在下图中这两个信号被分离成两个图。

如图示把Maker放在同一时间点。

d．在轨迹图中（如图）直接把Vout改为VC，Vin改为VB来编辑y轴标识。

现在就能看到反相了。

这就说明匹配网络对相位有着很大的影响。

5.运用函数和索引对vout和mix进行操作

a．如图所示插入一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，否则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频发生的情况下，这都特别有用。

b．编辑列表并加入Vin。

通过双击列表，进入“PlotTraces&Attributes”对话框。

点击“Advanced”按钮。

过输入dBm函数，编辑Vin：

dBm（Vin），然后点OK。

.请注意不论你何时变量信息或函数帮助按钮都会出现。

c．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）数据（如图所示）。

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[1]——它会变为无效，因为在原理图中它是以{1}的格式被索引的。

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．如下图所示，将光标插入dBm（Vin[1］）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50Ω，因此不需要任何改变。

去掉“，”和“50”，即“，50”，再读一次dBm（Vin[1]）的值。

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50Ω阻抗的前提下）。

但是，如果Zin并不是50Ω，则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ProbeCompenents面板中调出一个电流指示器（currentprobe），改变实例名为I_in,你将会在一个方程中用到它。

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）。

c．如图，运用在1900MHz处的Vin和I_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（vin[1］）的列表并删除dbm_out,加入方程式P_del_dBm.同时加入另一条Vin轨迹，并编辑轨迹表达式为：

dBm（Vin[1],Z_in）现在，你有三种方式计算和比较输入功率了。

请注意其中有两个值是相同的。

7．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hbbasic数据显示。

b．在新的原理图中，禁用（deactivate）HB1控制器。

c．进入simulation_XDB面板并在原理图中插入XDB控制器。

在屏幕上编辑控制器，使得Freq[1]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。

d．在SimulationSetup中，改变数据组名为hb_xdb,然后仿真。

e．当数据显示打开后，调入inpwr和outpwr的列表。

通过直接在数据后加入一个[1]来编辑列表（如图所示）。

如果希望有标题，也可以如图加入标题。

你刚才运行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—这是测试压缩的另一个方法。

8．用功率扫描对压缩状况进行仿真。

a．禁用XDB，激活HB控制器。

b．插入一个VAR的变量方程，RF_pwr=-40。

c．设置RIF源的功率变量为：

P=dbmtow（Rf_pwr）。

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，如图所示。

e．进入Display这一栏并设置SweepVar,它的值将在HB控制器元件上显示（如上图所示）。

f．改变数据组名为：

hb_comp并仿真。

当数据显示打开时，选择NO来改变数据组——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XDBinpwr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。

9．对不同的增益、功率和线性方程作图

a.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。

b．编辑dBm_out图并加入dB_gain方程——Y轴刻度将自动调整。

你可以加入Markers比较（在同一RF功率下）两者的值（如图所示）。

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，加入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OK,如图增益有明显下落。

用Marker读出其数值。

d．再写一个方程式，用line生成一条线性直线（extrapolateddata推断数据），这代表没有压缩的理想输出功率。

对每个点的RF功率，在第一个数据点[0]加入没有压缩的增益，你将得到理想增益或直线。

c．插入一个dBm_out的新图（用hb_comp的数据）同时加入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RF_freq和spacing加入变量，如下图所示。

这里没有要求Vbias（电压偏置）—如果你前面做了选作练习，则Vbias可以加也可以不加。

在VAR单元里的备注—这里设置的单元不要在其它地方设置它们，否则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：

Freq[1]和[2]都具有RF_pwr,如图所示。

d．编辑谐波平衡控制器：

加入另一个频率Freq[2]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。

e．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。

11．运用方程获取并控制谐波平衡数据

a．为所希望的频谱（tones）创建一个矢量矩阵（索引值）。

为此，写出一个频率方程，如图所示。

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。

b．插入一个以dBm表示Vout频谱的矩形图。

如图，使用TraceOptions（轨迹选择）编辑theTraceExpression（轨迹表达式），如图所示。

使用圆括号—输入：

dBm（mix（Vont，tones）），同时，设置频谱的TraceType（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。

12．对IP3或TOI（thirdorderintercect三阶交截点）仿真。

a.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和lower命名实例名。

b．请注意默认的节点标记（Vout），矢量｛1，0｝和阻抗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表格设置索引值，如图所示（只有lower_toi需要改变）。

c．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值比较合理而且几乎对称。

e．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，在这个实验末尾的选作步骤中你将用到这个方程式。

f．作出以dBm表示的vout的频谱图，并在图上放大（zoomin）观察你刚才仿真的双频。

把Marker放在上边基频和3阶频率上—这些应该与在Mix表格中的频率值匹配。

备注—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—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RF1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——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。

为达到这个目的，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输入功率约为-3ldBm），同时你也完成了TOI的测量（大约15dBm）。

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，随着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。

d．把my_toi列表转变为一个RectangularPlot（矩形图）（PlotOptions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，如下图所示，现在你能看到在这个频率下TOI测量结果是怎样表现出来的。

关于Vout数据的各注：

你必须运用Mix函数，因为Vout包含了41个频率点。

包括：

2个基波，每个基波4个谐波（一共就有8个频率成分）。

有8个max_order（这就意味着有32个相互调制的频率）。

加上直流（DC）成份，这41个音代表了16个RF功率中的每一个值。

e．再增加一条Vout轨迹在图上，再次编辑轨迹（轨迹表达式）使其变为上边带3阶产物。

f．你的图形现在应像下图一样，它包括了RF_freq上边频，上边频3阶产物和方程my_toi。

现在，编辑my_toi轨迹并选择PlotAxes（如下图），对这条轨迹选择RightY轴，观察其变化。

g．在RightY轴，你的图己经有了从你的方程得到的TOI的值。

同时，用来计算ToI的双频在左边。

现在，使用PlotOptions,选择YAxis.同时去掉Autoscale（不选）。

然后增加Max到10并点击OK。

最后，放置一个Maker在一个点上，这个点对于双音的斜率不再是3:

1。

正如你看到的，IP3是在正确区域计算。

但是，Marker以后的曲线，3阶产物开始一个急速的上升。

这是一个运用ADS的很好的例子，从中可以了解到你的设计的性能，更多的指标。

附加练习：

1．扫描RF频率—复制原理图并把扫描变量从RF功率（power）变为RF频率（freq）。

为此，在控制器和源中为RF_freq建立变量（VAR）。

从100MHz到3GHz以l00MHz为步长扫描RF_freq。

请确认己经改变数据组名称，然后仿真和对扫描频率作出输出功率方程的曲线，如右下图所示。

同时注意数据组将包含谐波索引列表（如图）。

2．试着写一个方程，使所有5阶产物能出现在频谱图。

3．用pspec函数计算对负载的功率增益。

做这一步时，首先请参阅pspec帮助文件，然后在Vout节点插入一个电流指示器（currentprobe）。