实验七谐波平衡法仿真

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。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 Vout 以 dBm

2、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 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 sy

3、stem_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_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。e如图设置 RF 源：Freq（频率） =1 900MHz，同时，去掉极性（ Polar）函数，只剩 dbm_t

4、o_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 Freql=1900MHz ，使其与 P_lTone源的频率相匹配。3.对 Vout 以 dBm of Vout ）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（ 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(Vout1)

5、,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。index3 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： Freq1=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：Freq1=1900MHz

6、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

7、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

8、 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 “ Plot Traces & 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

9、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(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，因此不需要任何改变。去掉 “，”和“50，”即 “，50”，再读一次dBm（ Vin1 ）的值。关于设计中 dBm 函数和 Zin 的备注：dBm 函数是将电压值

10、转化为 dBm 表示。（在假定 50 阻抗的前提下）。但是，如果 Zin 并不是 50，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 Probe Compenents面板中调出一个电流指示器 （current probe），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

11、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(vin1 ）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(Vin1,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_compre

12、ssion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。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 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。d在 Simulation Setup 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

13、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 Sw

14、eepVar,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 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。9对不同的增益、功率和线性方程作图a.用 db

15、m_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

16、 (extrapolated data 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_f

17、req 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： Freq1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 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 。e从控制中去掉RF_pwr 扫描：可以通过从屏幕或在对

18、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

19、表没有频率成分（如同直流） ，“2”代表对 RF 仿真频率的两倍。b插入一个以迹选择）编辑输入：dBm 表示 Vout 频谱的矩形图。如图，使用 Trace Options（轨 the Trace Expression（轨迹表达式），如图所示。使用圆括号dBm (mix （Vont，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 （thir

20、d order intercect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

21、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 (zoom in)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

22、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 功率扫描对 TOI 的影响。总本步骤说明当输入功率使的器件工作点趋向于压缩点时，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

23、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 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