谐波平衡仿真器 - message.doc

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1、附录B：谐波平衡仿真器大信号AC和S-参数仿真中的谐波平衡法谐波平衡法是一种频域分析方法，用在对非线性电路和系统的失真进行仿真。这种方法假设输入激励由相关的稳态正弦信号组成。因此，结果能被表达成稳态正弦信号和的形式，它包括除谐波和混合项之外的输入频率。是k*频率处的复振幅和相位。电路仿真器把非线性微分方程变换为频域中的一组非线性代数方程。表示傅立叶变换中的项频谱分量。谐波平衡仿真器必须同时求解出非线性代数方程中的所有值。必须求解的非线性方程的个数按N的因子的形式增加，N与标准时域模拟器有关。这意味着谐波平衡法中矩阵的大小和存储容量随着N的变大增加很快。为了在时域中对非线性器件求值，仍然需

2、要采用傅立叶逆变换将变换为,在这之前应先对非线性q()和f()函数求值。这表示标准的SPICE-类型、非线性电流和载荷波形在每个迭代点被变换到频域，在频域方程中用到它们的谱值。很多谐波平衡仿真器用到New-Raphson方法，派生物（非线性电阻和电容）必须在时域中计算并且需要被变换到频域。时域求解中应用谐波平衡法的主要优点是对线性器件的任意频响比较容易迅速地模拟。它不再需要集总参数元件的近似值。时域卷积被比较容易的频域相乘代替，这对RF、微波和毫米波频率来说特别重要，它们经常需要用频域数据描述其特性。谐波平衡法的另一个优点是能直接提供稳态结果，而不必要等到瞬态信号的结束。对高Q值电路这是

3、费时的等待。输入激励的频率可以被任意扩展并且是不对称的，但是谐波平衡法仍然能比较快速的得到结果。复杂性和求解成本不会增加，这是因为低频调谐（长时期）和高频调谐（非常小的时间步）共同存在。谐波平衡法的限制是信号必须具有准周期性，且能被表示成一系列离散频率和的形式。随着N值变大，需要的内部存储空间数量变的很大，内部矩阵的大小随着增加，这意味着在仿真任意的持续时间长的调制信号和具有很多不同的LO和RF频率系统的时候，它的效率将变低。仿真高频电路的瞬态响应实际上是不可能的，因为波形必需是准周期性的。频谱必需由离散的稳态的谱组成。对于当今计算机的实际限制是对中等尺寸电路的64位调频。谐波平衡法对于

4、仿真模拟RF和微波问题是一种通常的选择方法，因为它们大多需要在频域中处理。适合于这类分析的器件和电路包括：在具有正弦曲线大信号驱动下的功率放大器、频率乘法器、混频器和调制器。从高频电路和系统仿真中可以看出，谐波平衡法同时域卷积的瞬态分析法相比还有许多优点：l设计者通常关心的是系统的稳态状况。很多高频电路含有大的时间常数，为了达到稳态，通常的瞬态方法需要将很多低频正弦曲线在多个周期内合成。如果采用谐波平衡法，可以直接得到稳态谱响应。l应用的电压源具有典型的多频声正弦曲线，它有很窄或是很宽的剩余频带。通常情况下，当前最高频率的响应比最低频率的响应幅度大很多倍。瞬态分析法需要对最高频率正弦曲线

5、的大量周期进行合成。在很多实际情况中，是不允许花费这么多时间的。l在高频下，很多线性模型在频域中能被很好的表示。在时域中通过卷积法对这类元件的仿真将在精度、因果关系或稳定度上产生问题。元件面板列表提供了谐波平衡仿真的种类：Simulation-HB——一通用谐波平衡仿真Simulation-LSSP——大信号S—参数仿真Simulation-XDB——用于寻找增益—压缩点在Simulation-HB面板中的HarmonicBalanceSimulation组件，用它能够得到频域中的电压和电流。用这个组件可以得到以下结果：l测定电路中电压或电流的谱成分，通过扩展，可以计算三阶截距（TOI或

6、IP3），总谐波失真（THD），互调失真成份（在多频响激励中）。l功率放大器满载轮廓分析。l非线性噪声分析。在Simulation-LSSB面板中，非线性LSSPSimulation组件使计算非线性电路的大信号S—参数变得容易，例如在使用功率放大器和混频器的场合中。在后面的情况中，大信号S—参数通过“acrossfrequency”进行计算，即由RF输入得到IF输出。为了写出仿真结果，需要用到基于文件的放大器（例如放大器P2D组件，在System&Mixers面板中），在Simulation-LSSP面板中用P2D来进行分析。用这个文件能提高随后的仿真速度。在Simulation-XDB

7、面板中，XDBSimulation组件可以自动确定放大器或混频器的XdB增益压缩点。模拟器从一个小的输入值向上扫描，在得到满足要求的增益压缩点时停止。以上提到的组件都有可选择的种类lSmall—signalmode（在LSSPsimulator中不可用）小信号/大信号分析法，当RF输入可被作为小信号扰动，同时大信号LO组件可用完全谐波平衡分析方式计算时，能提高混频器的仿真速度。小信号/大信号分析法能用在许多涉及大信号和小信号调谐的特