第七章 谐波平衡法仿真

Sweep Type
扫描类型
Start/St op Center/S pan Step-size Num. of pts. Pts./decade
Start Stop Center Span
变量扫描参数的起始值 变量扫描的终止值 变量扫描中心值 变量扫描范围 变量扫描间隔 变量扫描点数 变量每增加10倍，扫描的点 数
StopTime= MaxTimeStep= IV_RelTol= AddtlTranParamsTAHB= OneToneTranTAHB=yes OutputTranDataTAHB= HBAHB_Enable=Auto SteadyStateMinTime= UseDeviceCurrentNestLevel=no DeviceCurrentNestLevel=0 DeviceCurrentName[1]= DeviceCurrentDeviceType=All DeviceCurrentSymSyntax=yes UseCurrentNestLevel=yes CurrentNestLevel=999
Status Level
（2）Sweep：如果在进行谐波平衡法仿真时需要对某个参数进行扫描， 用户可以通过【Sweep】选项卡进行相关设置，如图7-4所示，各参数的 含义如表7-2所示。
图7-3 Freq参数设置
图7-4 Sweep参数设置
表7-2 Sweep相关参数设置
参数名称 Parameter to sweep 参数描述 需要扫描的变量 说明 必须是原理图中设置的变量 Linear：线性扫描 Single Point：单点仿真 Log：对数扫描 变量扫描范围设定为Start/Stop 变 量 扫 描 范 围 设 定 为 Center/Span 变量扫描类型设定为linear有效 系统自动生成 变量扫描类型设定为log有效 若 使 用 ， 则 要 添 加 “SWEEP PLAN”控件，并在控件中进行相应 设置
InputFreq=noisefreq NLNoiseMode= NoiseFreqPlan= NLNoiseStart=1.0 GHz NLNoiseStop=10.0 GHz NLNoiseStep=1.0 GHz NLNoiseCenter= NLNoiseSpan= NLNoiseLin= NLNoiseDec= FreqForNoise= NoiseInputPort=1 NoiseOutputPort=2 PhaseNoise=no NoiseNode[1]=
表7-1 频率设置中的相关参数
参数名称 Frequency Order Maximum mixing order 参数描述 基波频率 最大谐波次数 最大混频次数 设置仿真状态窗 口中显示信息的多 少 说明 必须设置至少一个基波频率 频率中含有的最大谐波次数 混频后频率成分的最大次数 0：表示显示很少的信息 1和2：表示显示正常的仿真信息 3和4：表示显示很多的信息
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。
7.1谐波平衡法仿真基本原理及功能
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。 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。 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。
ArcMinValue= ArcMaxValue= SS_MixerMode= SS_Plan= SS_Start=1.0 GHz SS_Stop=10.0 GHz SS_Step=1.0 GHz SS_Center= SS_Span= SS_Lin= SS_Dec= SS_Freq= SS_Thresh= UseAllSS_Freqs= MergeSS_Freqs=
图7-1 HB参数仿真面板
1．谐波平衡法仿真控制器 谐波平衡法仿真控制器（HB）如图7-2所示，是控制谐波平衡法仿真的最主要 控件，可以设置谐波平衡法仿真的基准频率（Foundamental Frequency）、最 高次谐波的次数，扫描参数，仿真执行参数和噪声分析等相关参数。
HARMONIC BALANCE
KrylovSS_Tol= KrylovUseGMRES_Float= RecalculateWaveforms= UseCompactFreqMap= OscMode= OscPortName= IgnoreOscErrors= SweepVar= SweepPlan= Start=1 Stop=10 Step=1 Center= Span= Lin=
•OscPrt2：差分振荡器端口元件 •NdSet：节点设置 •NdSetName：节点名 •SNR：信噪比分析控件 • Bdfreq：频率预算控件 •BuGmma：反射系数预算控件 • BdPwrR:反射功率预算控件
•IP3in：输入三阶交调点分析控件 •IP3out：输出三阶交调点分析控件 •Ipn： N阶截止点分析控件 BuGain：增益预算控件 BudPwrl:入射功率预算控件 BudSNR:信噪比预算控件
SortNoise=Off NoiseThresh= IncludePortNoise=yes NoisyTwoPort= BandwidthForNoise=1.0 Hz OutputBudgetIV= UseKrylov=auto GMRES_Restart= KrylovUsePacking= KrylovPackingThresh= KrylovTightTol= KrylovLooseTol= KrylovLooseIters= KrylovMaxIters= AvailableRAMsize=
1谐波平衡法仿真的基本原理仿真控制器重要参数的含义单音谐波平衡仿真1db功率压缩点的仿真双音谐波平衡仿真ip3或toi的仿真时域特性分析第七章谐波平衡法仿真本章重点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
第七章 谐波平衡法仿真
【本章重点】
•谐波平衡法仿真的基本原理 •仿真控制器重要参数的含义 •单音谐波平衡仿真 •1dB功率压缩点的仿真 •双音谐波平衡仿真 •IP3或TOI的仿真 •时域特性分析
Dec= Pt= OutputPlan[1]= UseNodeNestLevel=yes NodeNestLevel=2 NodeName[1]= UseEquationNestLevel=yes EquationNestLevel=2 EquationName[1]= DevOpPtLevel=None Noisecon[1]= NoiseConMode= InFile= UseInFile= OutFile=
通过它可以模拟电路的1dB输出功率、效率以及IP3等与非线性有关的量。 谐波平衡法仿真有如下的功能： •确定电流或电压的频谱成分； •计算参数，如：三阶截取点，总谐波失真及交调失真分量； •执行电源放大器负载激励回路分析； •执行非线性噪声分析。
7.2谐波平衡法仿真面板与仿真控制器
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，如图7-1所示。 主要控件名称：
OPTIONS
Options Options1 Temp=25 Tnom=25 TopologyCheck=yes ForceS_Params=yes MaxDeltaV= DC_ConvMode= V_RelTol= V_AbsTol= I_RelTol= I_AbsTol= FreqRelTol= FreqAbsTol= GiveAllWarnings=yes MaxWarnings=10 IgnoreShorts= SaveBranchCurrents= OutputInternalNodes= PivotRelThresh= PivotAbsThresh= Vmin= Vmax= MinEpsilon= ForceM_Params=yes TimeStep= DC_ReadInitialGuess= DC_InitialGuessFile= InitialGuessAnnotation=0 DC_WriteFinalSolution= DC_FinalSolutionFile= Gmin= Imax= Imelt= Ijth= Other= TopologyCheckMessages=Summary NumThreads= GPU=
HarmonicBalance HB3 MaxOrder=4 Freq[1]=1.0 GHz Order[1]=3 StatusLevel=2 FundOversample= Oversample[1]= PackFFT= MaxIters= GuardThresh= SamanskiiConstant= Restart= ArcLevelMaxStep=0.0 MaxStepRatio=100 MaxShrinkage=1.0e-5 ArcMaxStep=0.0
图7-2 谐波平衡仿真控制器
HARMONIC BALANCE
双击 图标，弹出谐波平衡控制器参数设置窗口，主要包括 【Freq】、【Sweep】、【Intial Guess】、【Oscillator】、【Noise】、 【Small-Sig】、【Params】、【Solver】、【Output】、【Display】 10个选项卡。 （1）Freq：谐波平衡法仿真需要设置仿真执行时的基准频率和高次谐波等 相关参数，用户可以通过【Freq】选项卡进行这些参数设置，如图7-3所示。 相关参数描述及说明如表7-1所示。
UseOutFile= KrylovPrec=DCP ConvMode=Auto (Preferred) Other= UseSavedEquationNestLevel=yes SavedEquationNestLevel=2 SavedEquationName[1]= AttachedEquationName[1]= OscNodePlus= OscNodeMinus= OscFundIndex=1 OscHarm=1 OscNumOctaves=2.0 OscSteps=20.0 TAHB_Enable=Auto
图7-5 振荡器分析参数设置
图7-6噪声分析参数设置
（5）Small-Sig：如果需要在谐波平衡法仿真中加入小信号分析，则可以 通过【Small-Sig】选项卡进行相关设置，如图7-7所示。具体的参数含义 与“Sweep”选项卡相同。
图7-7小信号分析参数设置
2．谐波平衡法仿真设置控制器 谐波平衡法仿真设置控制器（OPTIONS）如图7-8所示。主要用来设置例如环 境温度、设备温度、仿真的收敛性、仿真的状态提示和输出文件特性等与仿 真相关的参数。
•HB：谐波平衡法仿真控制器 •Options：谐波平衡法仿真设置控制器 •Sweep Plan：参数扫描计划控制器 •PrmSwp：参数扫描控制器 •Term：终端负载 •BudLin：线性化预算分析控件 •NoiseCon：谐波噪声控制控件 •OscPort：接地振荡器端口元件 •Disp Temp：显示模板控件 •MeasEqn：仿真测量等式控件 •It：时域电流波形控件 •Vt：时域电压波形控件 •Pt：功率显示控件 •Ifc：频域电流显示控件 •Vfc：频域电压显示控件 •Pspec：功率谱密度显示控件
Use sweep plan
是否使用扫描计划
（3）Oscillator：用户可以通过设置【Oscillator】选项卡的相关参数进 行振荡器分析，如图7-5所示。在压控振荡器设计中重点介绍该选项卡的使 用。 （4）Noise：用户可以利用【Noise】选项卡对噪声分析的相关参数进行设 置，如图7-6所示。