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谐波平衡法仿真设计一、 摘要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一二、 正文2.1实验综述谐波平衡仿真是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1） 确定电流或电压的频谱成分；（2） 计算参数，如：三阶截取点，总谐波失真及交调失真分量；（3） 执行电源放大器负载激励回路分析；（4） 执行非线性噪声分析2.2实验过程（实验步骤、记录、数据、分析）2.2.1构建电路（1） 打开上一章的仿真原理图s_final。

2） 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）3） 在“source_Freq Domain"元件面板列表中选择P_1 Tone控件，插入输入 端；（4） 在图中标注Vin, Vout, VC和VB四个节点；（5） 修改P_1Tone源参数，同时命名为RF_source，如图2. 1所示：Freq=1.9 GHzZ=50 OhmP= dbmtow（-40）Num=1P_1TcneRF_sourceNuin = 1Z=50OhmP=dbmtow(-40)Freq=1.9 GHz图2.1 RF源设置2.2.2设置仿真参数(1) 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2.2所示；(2) 修改参数Freq[l] = 1.9GHz 基波频率为 1.9GHz0rder[l]=3谐波次数为3嚣 HARMONIC BALANCEHarm on icflal anteH01Freq[1]=1.&GHz Qnfer[1]=3图2.2谐波平衡仿真控制器2.2.3设定测量方程式(1) 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(Vout[1])方程，如图2.3所示J閉 MeasEqnMeasldbm_out=dBm(Vaut[1])图2.3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 引值表示为:index[0]是直流，index[l]是1900MHz， index[2]是二次谐波即 3800MHzindex[3]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：（3）改变谐波平衡控制器参数Freq[l] = 1800MHz再次仿真，出现错误信息， 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 2.2.4仿真结果输出（1） 在数据显示窗口，插入Vout矩形图，得到输出信号的频谱；（2） 在基频上插入Marker,如图2.5所示放大器在1.9GHz频率点的输出功 率为-4.876dBm；-40-100 r07mlfreq=1.900GHzdBm(Vout)=-4.87r6J■■A0-20-60-801freq, GHz(3) 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 2.6 所示。

图2.6输出信号的功率值(4) 在数据左侧窗口单击工具栏，插入Vin和Vout两个时域信号的数据轨迹 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2.7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)002vm001O00m2 ,time= 400.0psec ts(Vi n)=233.5uV\ f4 2o 2-uim3 i ptime= 400.0psec tS(Vout)=-32.22mv \ 丨 /-2000.00.20.4 0.6 0.81.01.2time, nsec图2.7输入和输出信号的时域波形(5) 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2.8 所示6) 观察m4和m5点，信号相位相反通过和图对比，这说明匹配网络对相位 有 着很大的影响叭m4-//\t]1 ID— TWW. Wp/OptVs(VC)=4.128 V-/ \Z22——-11111115 4 3 2')^ b ・0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 仁time, nsecvm80798281m5 Aj time= 40Q.Opsec ts(VB)=784：1mV‘2.2.5函数和索引的使用(1)利用列表工具，显示Mix及Vout的值，如图2.9所示。

在谐波仿真运行时 数据组中就会产生一个Mix索引值freqMixVout0.0000 H; 1.900 GH; 3.800 GH; 5.700 GH;[ 0z 1z 2z 30.000 / 0.000.180 / -14.190.001 / -170.931.963E-5 / 46.13图2.9 Mix和Vout数据表 (2)通过双击列表，进入“Plot Traces & Attributes"对话框点击 曲泌’’’ 按钮在“Enter any expression"栏中输入dBm(Vin),然后单击“OK"得到 如图2.10所示：freqMixVoutdBm(Vin)0.0000Hz00.000 / 0.000vinvali1.900 GHz10.180 / -14.199-40.2-3.800 GHz20.001 / -170.939-82.9,5.700 GHz31.963E-5 / 46.135-111.14图2.10更新的数据表(3)在Vin自变量中键入索引值[1]来编辑dBm(Vin)数据，如图2.11所示得 到在索 引频率为1时(1900MHz )的Vin值为-40.214dBm。

freqMixVoutdBm(Vin[1])0.0000 1Hz00.000 / 0.(00 -40.211.900 GHz10.180 / -14.1993.800 GHz20.001 / -170.9395.700 GHz31.963E-5 / 46.135图2.11参数数据表(4)将光标插入dBm(Vin[1])表达式并键入逗号“，”和50, dBm函数中第 二个自变量是Zin，缺省值50Q，因此输出没有改变，如图2.12所示：freqMixVoutdBm(Vi n[1],50)0.0000 Hz00.000 / 0.000-40.2141.900 GHz10.180 / -14.1...3.800 GHz20.001 / -170....5.700 GHz31.963E-5 / 46...图2.12参数数据表2.2.6输入功率和Zin1)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2.13所|_Pr

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2.14所示EqnP_del_dbm=10*log(0.5*real(Vin[1]*conj(l」n.i[1])))+30图2.14插入方程(3) 如图2.15所示，写另一个方程计算Zin然后，将插入Z_in参数方程列 表，如图2.16所示注意到复数阻抗并不是50，而是47.619QZ_in=Vin/I_i n.i图2.15输入阻抗方程freqZ in0.0000 Hz: 1.900 GH;: 47.619 / 0.683.800 GH;: 50.000 / -180.0C5.700 GH;: 50.000 / -180.0C图2.16输入阻抗值(4) 插入列表，显示 dBm(Vou t[1])、dBm(Vin[1]， Z_in)和 P_del_dBm 数据, 如图2.17所示：dBm(Vout[1])dBm(Vin[1],Z in[1]) P del dbm-4.876 -40.0C3 -40.00三、 总结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ADS中有专门针对谐波平衡法仿真的元件面板，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通过这次实验，我了解了谐 波平衡工作的原理，我设计的这款是以1・9GHz的放大器为基础的，所以放大器 是个关键点，所有的实验都是围绕放大器来做的在做的过程中考验的是我们对 原理的掌握情况同时熟悉软件，熟练操作。