諧波平衡法仿真原理和基本概念介紹

諧波平衡法仿真主要應(yīng)用于射頻低噪聲放大器、混頻器和振蕩器電路設(shè)計和仿真中。在射頻系統(tǒng)設(shè)計時，也常用于系統(tǒng)諧波和交調(diào)干擾信號的仿真分析，是ADS對射頻電路仿真獨特的一種仿真方式。

今天的內(nèi)容從下面幾個方面展開：諧波平衡仿真原理和基本概念、仿真控制器介紹、諧波平衡法仿真實例包括單音信號的諧波平衡法仿真實例和雙音信號的諧波平衡法仿真實例基本等內(nèi)容。

諧波平衡法仿真原理和基本概念

諧波平衡仿真通過對時域周期性信號做傅里葉變換，來獲得電路的頻域特性，是分析非線性信號頻率特性的有力工具。諧波平衡法仿真支持電路進(jìn)行多音信號仿真，并通過迭代算法，逼近輸出信號相應(yīng)基波、諧波的穩(wěn)態(tài)解。在迭代結(jié)束后，可以獲得電路網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)、三階交調(diào)點、本振泄露、鏡像抑制以及交調(diào)干擾等參數(shù)。相比于時域仿真，諧波平衡法仿真在頻域可以較好地描述射頻電路與系統(tǒng)，建立頻域模型，并最終獲得穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。諧波平衡法仿真具有以下功能：分析輸入、輸出信息的頻譜分量；分析電路三階交調(diào)點、總諧波失真，交調(diào)干擾等參數(shù)；分析非線性電路的噪聲特性。

三階交調(diào)是三階交調(diào)截取點IP3（Third-order Intercept Point）的簡稱，在射頻或微波多載波通信系統(tǒng)中，三階交調(diào)點是一個衡量線性度或失真的重要指標(biāo)。交調(diào)失真對模擬微波通信來說，會產(chǎn)生臨近信道的串?dāng)_，對數(shù)字微波通信來說，會降低系統(tǒng)的頻譜利用率，并使誤碼率惡化；因此容量越大的系統(tǒng)，要求IP3越高，IP3越高表示線性度越好和更少失真。IP3通常用兩個輸入音頻測試，這里所指的音頻與我們在低頻電阻線路的音頻有區(qū)別，實際上是兩個靠的逼近近的射頻或微波頻率。

諧波平衡法仿真面板與仿真控制器

1、標(biāo)準(zhǔn)諧波平衡法仿真控制器（Harmonic Balance）：在諧波平衡法仿真控制器中主要設(shè)置諧波平衡法仿真的輸入基波頻率、最高次諧波頻率、仿真選項以及噪聲分析等內(nèi)容。

2、諧波平衡法仿真選項控制器（OPTION）：可以設(shè)置諧波平衡放真的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、放著呢收斂性等，參數(shù)意義與S參數(shù)仿真控制器中的定義相同。

3、諧波平衡法掃描方案控制器（SWEEP PLAN）：在該控制器中可以設(shè)置諧波平衡法仿真的環(huán)境溫度、設(shè)備溫度、仿真收斂性等

4、參數(shù)掃描控制器(PARAMETER SWEEP)

可以設(shè)置諧波平衡法仿真的掃描變量、仿真控制器等信息

5、終端（Term）

可以定義網(wǎng)絡(luò)端口阻抗信息，是進(jìn)行諧波平衡法仿真必備的元件。

6、線性化預(yù)算控制器（BUDGET LINEARIZATION）

在仿真中分析電路的線性化程度。

7、諧波噪聲控制控制器（HB NOISE CONTROLLER）

主要用于在仿真中設(shè)置電路的噪聲頻率、節(jié)點等信息

8、單端口振蕩器端口元件（OscPort）

9、差分振蕩器端口元件（OscPort2）

10、時域電流波形控制器（It）

主要在仿真中顯示電路時域電流的波形

11、時域電壓波形控制器（Vt）

12、功率控制器（Pt）

13、頻域電流波控制器（Ifc）

14、頻域電壓波形控制器（Vfc）

15、功率譜密度顯示控制器（Pspec）

16、輸入三階交調(diào)點分析控制器（IP3in）

17、輸出三階交調(diào)點分析控制器（IP3out）

18、N階交調(diào)點分析控制器（IPn）

19、信噪比分析控制器（SNR）

20、預(yù)算分析控制器：主要用于在仿真中對電路的頻率、增益、增益壓縮點、反射系數(shù)、三階交調(diào)點、噪聲、信噪比以及駐波比等參數(shù)進(jìn)行欲估計。

諧波平衡法仿真實例

采樣放大器電路進(jìn)行諧波平衡法仿真，主要包括單音信號和雙音信號兩大類的諧波平衡法仿真，分別觀測放大器輸出信號高次諧波以及輸入、輸出三階交調(diào)點特性。

單音信號的諧波平衡法仿真

進(jìn)行放大器單音信號諧波平衡法仿真的主要目的是為了觀測放大器輸出信號的高次諧波，以此來判定放大器的線性化程度。在單端輸入、單端輸出放大器中，主要觀測二次和三次諧波與基波的比值，一般的標(biāo)準(zhǔn)是二次和三次諧波相比基波的衰減在60dB以上，可視為該放大器的線性度較為理想。衡量線性度具體指標(biāo)的輸入、輸出三階交調(diào)點將在雙音信號諧波平衡法仿真中進(jìn)行討論。

實驗步驟：

1、這個實驗是在之前的基礎(chǔ)上完成的，因為是單音信號的諧波平衡仿真，所以，這里輸入的信號源是單頻率的信號源，在“Source-Freq Domain”中選擇P_1Tone信號源作為輸入信號，并對其進(jìn)行設(shè)置。

2、之后在諧波平衡法中。

3、再在輸入輸出端，對線進(jìn)行標(biāo)記，這樣好看結(jié)果。還要增加一個測量公式控制器。

這里的公式表示的是輸出信號的功率，這里的[1]表示計算的基波信號，[0]和[2]分別表示的是直流信號和二次諧波。

4、最終的原理圖如下圖所示：

5、進(jìn)行仿真和觀察結(jié)果。觀察輸出信號的各次諧波的能量分布，以及看基波的功率輸出，如下：

可以看出，輸出基波功率是-18.963dB，二次諧波和三次諧波分布是-66.271dB和-98.732dB?？梢钥吹蕉沃C波相比于基波衰減小于60dB，所以該放大器的線性度不是很好，要大于60dB才很好，所以放大器還是有改進(jìn)的地方。

雙音信號的諧波平衡法仿真

通過單音信號諧波平衡法仿真，我們進(jìn)行了放大器線性度的基本仿真，放大器線性度的衡量指標(biāo)主要通過輸入、輸出三階交調(diào)點來反映，而輸入三階交調(diào)點又可以通過輸出三階交調(diào)點除以增益得到，所以以下就采用雙音諧波平衡法仿真輸出三階交調(diào)點。輸出三階交調(diào)點大于10dB以上時，放大器的線性度較為良好，這里也以此指標(biāo)作為雙音諧波平衡法仿真的基本目標(biāo)。

1、這里就需要兩個信號來進(jìn)行仿真，把“P_1Tone”換位“P_nTone”，中，設(shè)置頻率分別為如下設(shè)置，這里出現(xiàn)了三個變量，RF_freq、fspacing、RF_pwr，后面需要對他們進(jìn)行定義和初始化。

它分別表示的是輸入信號的頻率是2.4GHz，信號的輸入功率是-30dB，頻率間隔是10MHz。

2、在諧波平衡法仿真控制面板中，選擇ipol_upper和ipol_down，分別表示上變頻和下變頻的輸出三階交調(diào)點。對ipol_down進(jìn)行修改，修改公式為：ipo2=ip3_out(vout，{0,1},{-1,2},50)。

3、設(shè)置諧波平衡仿真控制器，設(shè)置雙音信號最高的混頻諧波頻率和諧波次數(shù)。分別為5。

最后的電路圖如圖所示：

這里要注意的是Freq[1]和Freq[2]在信號源設(shè)置和諧波仿真控制器設(shè)置的時候順序不能反，否則沒有效果。

4、對其進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

將2.4GHz附近的點進(jìn)行展開，設(shè)置x坐標(biāo)

可以看到：

最后觀察三階交調(diào)點。

上圖分別是上變頻和下變頻的輸出三階交調(diào)點。三階交調(diào)點均在10dB附近就是放大器的線性度就比較好。

可以看結(jié)果不是很理想，但是我們知道了怎么對三階交調(diào)點進(jìn)行計算，并且知道了怎么進(jìn)行諧波平衡仿真，怎么判斷一個放大器的線性度是否良好，怎么進(jìn)行單音信號的諧波平衡法仿真、怎么進(jìn)行雙音信號的諧波平衡法仿真，怎么仿真出三界交調(diào)點。