諧波平衡仿真器 - message.doc

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1、附錄B：諧波平衡仿真器大信號AC和S-參數仿真中的諧波平衡法諧波平衡法是一種頻域分析方法，用在對非線性電路和系統(tǒng)的失真進行仿真。這種方法假設輸入激勵由相關的穩(wěn)態(tài)正弦信號組成。因此，結果能被表達成穩(wěn)態(tài)正弦信號和的形式，它包括除諧波和混合項之外的輸入頻率。是k*頻率處的復振幅和相位。電路仿真器把非線性微分方程變換為頻域中的一組非線性代數方程。表示傅立葉變換中的項頻譜分量。諧波平衡仿真器必須同時求解出非線性代數方程中的所有值。必須求解的非線性方程的個數按N的因子的形式增加，N與標準時域模擬器有關。這意味著諧波平衡法中矩陣的大小和存儲容量隨著N的變大增加很快。為了在時域中對非線性器件求值，仍然需

2、要采用傅立葉逆變換將變換為,在這之前應先對非線性q()和f()函數求值。這表示標準的SPICE-類型、非線性電流和載荷波形在每個迭代點被變換到頻域，在頻域方程中用到它們的譜值。很多諧波平衡仿真器用到New-Raphson方法，派生物（非線性電阻和電容）必須在時域中計算并且需要被變換到頻域。時域求解中應用諧波平衡法的主要優(yōu)點是對線性器件的任意頻響比較容易迅速地模擬。它不再需要集總參數元件的近似值。時域卷積被比較容易的頻域相乘代替，這對RF、微波和毫米波頻率來說特別重要，它們經常需要用頻域數據描述其特性。諧波平衡法的另一個優(yōu)點是能直接提供穩(wěn)態(tài)結果，而不必要等到瞬態(tài)信號的結束。對高Q值電路這是

3、費時的等待。輸入激勵的頻率可以被任意擴展并且是不對稱的，但是諧波平衡法仍然能比較快速的得到結果。復雜性和求解成本不會增加，這是因為低頻調諧（長時期）和高頻調諧（非常小的時間步）共同存在。諧波平衡法的限制是信號必須具有準周期性，且能被表示成一系列離散頻率和的形式。隨著N值變大，需要的內部存儲空間數量變的很大，內部矩陣的大小隨著增加，這意味著在仿真任意的持續(xù)時間長的調制信號和具有很多不同的LO和RF頻率系統(tǒng)的時候，它的效率將變低。仿真高頻電路的瞬態(tài)響應實際上是不可能的，因為波形必需是準周期性的。頻譜必需由離散的穩(wěn)態(tài)的譜組成。對于當今計算機的實際限制是對中等尺寸電路的64位調頻。諧波平衡法對于

4、仿真模擬RF和微波問題是一種通常的選擇方法，因為它們大多需要在頻域中處理。適合于這類分析的器件和電路包括：在具有正弦曲線大信號驅動下的功率放大器、頻率乘法器、混頻器和調制器。從高頻電路和系統(tǒng)仿真中可以看出，諧波平衡法同時域卷積的瞬態(tài)分析法相比還有許多優(yōu)點：l設計者通常關心的是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)狀況。很多高頻電路含有大的時間常數，為了達到穩(wěn)態(tài)，通常的瞬態(tài)方法需要將很多低頻正弦曲線在多個周期內合成。如果采用諧波平衡法，可以直接得到穩(wěn)態(tài)譜響應。l應用的電壓源具有典型的多頻聲正弦曲線，它有很窄或是很寬的剩余頻帶。通常情況下，當前最高頻率的響應比最低頻率的響應幅度大很多倍。瞬態(tài)分析法需要對最高頻率正弦曲線

5、的大量周期進行合成。在很多實際情況中，是不允許花費這么多時間的。l在高頻下，很多線性模型在頻域中能被很好的表示。在時域中通過卷積法對這類元件的仿真將在精度、因果關系或穩(wěn)定度上產生問題。元件面板列表提供了諧波平衡仿真的種類：Simulation-HB——一通用諧波平衡仿真Simulation-LSSP——大信號S—參數仿真Simulation-XDB——用于尋找增益—壓縮點在Simulation-HB面板中的HarmonicBalanceSimulation組件，用它能夠得到頻域中的電壓和電流。用這個組件可以得到以下結果：l測定電路中電壓或電流的譜成分，通過擴展，可以計算三階截距（TOI或

6、IP3），總諧波失真（THD），互調失真成份（在多頻響激勵中）。l功率放大器滿載輪廓分析。l非線性噪聲分析。在Simulation-LSSB面板中，非線性LSSPSimulation組件使計算非線性電路的大信號S—參數變得容易，例如在使用功率放大器和混頻器的場合中。在后面的情況中，大信號S—參數通過“acrossfrequency”進行計算，即由RF輸入得到IF輸出。為了寫出仿真結果，需要用到基于文件的放大器（例如放大器P2D組件，在System&Mixers面板中），在Simulation-LSSP面板中用P2D來進行分析。用這個文件能提高隨后的仿真速度。在Simulation-XDB

7、面板中，XDBSimulation組件可以自動確定放大器或混頻器的XdB增益壓縮點。模擬器從一個小的輸入值向上掃描，在得到滿足要求的增益壓縮點時停止。以上提到的組件都有可選擇的種類lSmall—signalmode（在LSSPsimulator中不可用）小信號/大信號分析法，當RF輸入可被作為小信號擾動，同時大信號LO組件可用完全諧波平衡分析方式計算時，能提高混頻器的仿真速度。小信號/大信號分析法能用在許多涉及大信號和小信號調諧的特