实验七、谐波平衡法仿真
概 述
本练习将继续进行1.9G放大器（amp_1900)的设计和给出谐波平衡仿真器的基本知识，谐波平衡仿真能分析频谱、压缩输出功率，计算TOI和其它一些非线性测量。
任 务
建立并运行一个基频谐波平衡仿真。
建立并运行一个双频谐波平衡仿真。
应用仿真和源控制的变量。
测试增益，压缩功率输出，资用功率，噪声系数，三阶交调（IP3 )和其它一些特性。
在谐波平衡(HB)数据中运用ts（时间序列）变换。
方程式、平面曲线和MIX表格的操作。
目 录
1. 建立一个具有P＿1基频源的电路………………………………………116
2. 建立一个单音（one-tone)谐波平衡仿真…………………………………116
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3. 对Vout以dBm为单位写一个测量方程式并仿真………………………116
4. 对频谱、方程和节点电压的ts（时间序列）作图………………………117
5. 运用函数和索引对Vout和Mix进行操作………………………………118
6. 对传递功率和Zin进行仿真…………………………………………… 120
7. 运用XDB仿真器对增益压缩进行测试…………………………………121
8. 对扫描的功率的压缩状况进行仿真…………………………………… 122
9. 对不同的增益、功率和线性方程作图……………………………………124
10. 带变量的双音（two-tone）谐波平衡仿真………………………………125
11. 运用方程获取和控制谐波平衡数据…………………………………… 126
12. 对IP3或TOI (3阶交截点）仿真…………………………………………127
13. 选作一针对TOI测量作RF功率扫描……………………………………128
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步 骤
1．建立一个具有P-I基频源的电路
a．如果文件system_prj仍然打开，就关掉它。然后，打开任务amp_1900和原理图s_final。
b．用一个新名称：hb_basic保存原理图s_final。删除所有仿真测量组件及输入端口(Term)。如下图一样开始建立设置。
c．为RF输入端插入一个P_1 Tone（从source_Freq Domain面板调入）。
d．如图示输入4个pin labels（node names节点名）：Vin，Vout，VC和 VB，这样电压在数据组（dataset）中是可用的。
e．如图设置RF源：Freq（频率）=1 900MHz，同时，去掉极性（Polar）函数，只剩dbm_to_watts函数：P=dbmtow（- 40）。同时将源的名称转换为RF_source。端口数被定义为Num=1。
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2.建立一个单音谐波平衡仿真
a．进入Simulation-HB面板并如下图在原理图上放入谐波平衡仿真控制器。
b．在屏幕上进行频率设置：改变频率为Freq[l]=1900MHz，使其与P_lTone源的频率相匹配。
3.对Vout以dBm of Vout）写一个测量方程式并仿真
a．从仿真面板中，在原理图上插入一个测量方程（measurement equation）。
b．写一个方程式，计算在Vout点的输出功率 用dBm表示：dbm_out=dBm(Vout［1］),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3800MHz。index[3]是指三次谐波。因此，方程式应只表示以dBm表示的1900MHz的输出功率。
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c．仿真—现在应该没有任何警告和错误信息。
d．改变谐波平衡控制器的频率为：Freq[1]=1800MHz。现在，再次仿真，并阅读错误信息—源的频率与谐波平衡器频率1800MHz相差100MHz。当源频率与控制器频率不同时，就会出现这种常见的错误。
e．重新设置谐波平衡控制器频率，改为：Freq[1]=1900MHz并再次仿真。
4.对频谱、方程和节点电压的ts（时间序列）作图
a．在数据显示中，对Vout(dBm)作图。同时，插入一个dbm_out列表。无论你何时写入一个测量方程，该列表都将出现在数据组中。这两个值应该与下图所示相同。
b．把一个Marker（标记）放在基频上，并验证你的放大器在1.9GHz频率点上当输出功率dBm=-4.876时，是否有大约35dB的增益。
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结果的备注：若在仿真控制器中将Order设为3，你将得到3个频率：一个基波和两个谐波。DC成分也总是出现在图中，因为谐波平衡法总是要计算DC的收敛。
c．插入一个stacked矩形图并插入两个数据轨迹作为时域信号：Vin和Vout。 ts（时间序列）函数作用于谐波平衡法并将结果转换到时域。在这个例子中，你将发现放大器并不是如你希望的那样转换信号。在下图中这两个信号被分离成两个图。如图示把Maker放在同一时间点。
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d．在轨迹图中（如图）直接把Vout改为VC，Vin改为VB来编辑y轴标识。现在就能看到反相了。这就说明匹配网络对相位有着很大的影响。
5.运用函数和索引对vout和mix进行操作
a．如图所示插入一Mix和Vout的列表。不管谐波仿真何时运行，在数据组中就会产生一个Mix表格（索引值）。注意到除非你是用的是dB, dBm,等单位，否则Vout是一个复数（幅度和角度）。在下面的步骤中，你将学会在Mix表格里怎样列方程以显示或对一个特定的频率进行操作与方程式。不管是在多音还是混频发生的情况下，这都特别有用。
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b．编辑列表并加入Vin。通过双击列表，进入“Plot Traces & Attributes”对话框。点击“Advanced”按钮。过输入dBm函数，编辑Vin：dBm(Vin），然后点OK。.请注意不论你何时变量信息或函数帮助按钮都会出现。
c．现在你的列表中应包含原理图的方程dBm_out和表达式dBm(Vin)（对所有的频率）。现在，通过键入在Vin自变量中的索引值[1]来编辑dBm(Vin)数据（如图所示）。现在就得到在索引频率或1900MHz下的Vin的值。
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d．在dBm_out方程式中输入[1]——它会变为无效，因为在原理图中它是以{1}的格式被索引的。
e．从无效的dBm_out方程中去掉[1]，这使得dBm_out方程再次有效。
f．如下图所示，将光标插入dBm(Vin[1］）表达式并键入逗号”，”和50，如图所示。dBm函数中第二个自变量是Zin。如果自变量没有给出，默认值就是50Ω，因此不需要任何改变。去掉“，”和“50”，即“，50”，再读一次dBm（Vin[1]）的值。
关于设计中dBm函数和Zin的备注：dBm函数是将电压值转化为dBm表示。（在假定50Ω阻抗的前提下）。但是，如果Zin并不是50Ω，则Vin的功率可能不正确。因此，想正确使用的Zin值，参看下面的步骤。
6．对传输功率和Zin进行仿真。
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a．在hb_basic设计中，从Probe Compenents面板中调出一个电流指示器（current probe），改变实例名为I_in,你将会在一个方程中用到它。
b．仿真完后，运用I_in为平均传输功率写一个数据显示方程。注意：0.5表示峰值的平均值。conj函数将复数电流转换为它的共扼形式。因为V&I一定在相位中有耗散功率，将电压转换为dBm后再加30(相当于除以0.001）。
c．如图，运用在1900MHz处的Vin和I_in另写一个方程式计算Zin。然后，插入一个Z-in方程列表。注意到复数阻抗并不是50。
d．编辑你前面的dBm(vin[1］）的列表并删除dbm_out,加入方程式P_del_dBm.同时加入另一条Vin轨迹，并编辑轨迹表达式为：dBm(Vin[1],Z_in)现在，你有三种方式计算和比较输入功率了。请注意其中有两个值是相同的。
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7．运用XDB仿真器对增益压缩进行测试
XDB仿真控制器是一个谐波平衡仿真中专门用于增益压缩的仿真器。
a．保存你目前所有工作：原理图和数据显示器，以一个新名称hb_compression保存原理图。然后，关闭hb basic数据显示。
b．在新的原理图中，禁用(deactivate）HB1控制器。
c．进入simulation_XDB面板并在原理图中插入XDB控制器。在屏幕上编辑控制器，使得Freq[1]和GC输入／输出频率都是1.9GHz,如右图。参数GC_xdB=1表示测试的是1dB压缩。如果你想考察3或6dB压缩，改变值就可以了。
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d．在Simulation Setup中，改变数据组名为hb_xdb,然后仿真。
e．当数据显示打开后，调入inpwr和outpwr的列表。通过直接在数据后加入一个[1]来编辑列表（如图所示）。如果希望有标题，也可以如图加入标题。你刚才运行1dB增益压缩测试只用了几秒钟，这是因为放大器偏置非常高。1dB压缩点大约在输入功率为一29dBm处。后面步骤中，你将改变原理图和设置一个谐波平衡功率扫描—这是测试压缩的另一个方法。
8．用功率扫描对压缩状况进行仿真。
a．禁用XDB，激活HB控制器。
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b．插入一个VAR的变量方程，RF_pwr= -40。
c．设置RIF源的功率变量为：P=dbmtow(Rf_pwr)。
d．编辑谐波平衡（HB）控制器，在扫描（sweep）这一栏，设置RF_pwr扫描从-50到-20，步长为1，如图所示。
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e．进入Display这一栏并设置SweepVar,它的值将在HB控制器元件上显示（如上图所示）。
f．改变数据组名为：hb_comp并仿真。当数据显示打开时，选择NO来改变数据组——这将使得XDB数据作为默认数据组有效。现在，你应能准确地画出hb_comp数据——这是一个普通的练习。
g．插入一平面图并选择hb_comp数据组，然后画出原理图测量方程式dbm_ out.在轨迹上插入一个Marker。插入点是 RF_pwr的值靠近XDB inpwr值：-31的地方。正如你看到的，两个值很接近但不同，这是因为扫描方法不同——XDB仿真通常用更紧密间隔的数值扫描。
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9．对不同的增益、功率和线性方程作图
a.用dbm_out测量方程式写一个dB_gain方程。从dBm_out减去线性化的输入RF_pwr, 得到的结果是在所有RF输入功率值的增益的值。
b．编辑dBm_out图并加入dB_gain方程——Y轴刻度将自动调整。你可以加入Markers比较（在同一RF功率下）两者的值（如图所示）。
c．为画出dB_gain与输出功率之间的关系曲线，插入一新的平面图，加入dB_gain方程并点击AddVs.然后，选择hb_comp数据组和X轴的独立变量：dBm_out并点击OK,如图增益有明显下落。用Marker读出其数值。
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d．再写一个方程式，用line生成一条线性直线(extrapolated data推断数据），这代表没有压 缩的理想输出功率。对每个点的RF功率，在第一个数据点[0]加入没有压缩的增益，你将得到理想增益或直线。
c．插入一个dBm_out的新图（用hb_comp的数据）同时加入Line直线。明显可以看出放大器与线性输出功率直线偏离。
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f．保存所有的作业。
10.带变量的双音谐波平衡仿真
在下面几个步骤中，我们将看到在仿真控制中更多地用到变量。这对于在以后几个实验中，复杂电路的化简和计算是很重要的，同时，对于使用了该仿真控制的ADS范例也是很重要的。
a．用一新名称hb_2Tone保存上一个设计。
b．编辑VAR，并对RF_f req和spacing加入变量，如下图所示。这里没有要求Vbias（电压偏置）—如果你前面做了选作练习，则Vbias可以加也可以不加。
在VAR单元里的备注—这里设置的单元不要在其它地方设置它们，否则在其它仿真中它们也可能同时起作用。
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c．改变源为P_nTone,并对其编辑使具有双音：Freq[1]和[2]都具有RF_pwr,如图所示。
d．编辑谐波平衡控制器：加入另一个频率Freq[2]及数值，如图示，使用Spacing变量1/2。同时，对两者设置Order=4，MaxOrder=8。这个例子中，RF双音间隔5MHz。
e．从控制中去掉RF_pwr扫描：可以通过从屏幕或在对话和显示中去掉它。同时，去掉其它控制器或不想要的元件并再次保存设计图。
f．仿真并作出以dBm表示的Vout的频谱图。在1. 9GHz附近放置一个Marker,你可以发现不能看清其附近的谱。为了看到这些互调成分，你可以将图放大，也可以改变X轴刻度。尽快地尝试使用这两种方式，因为下面我们将介绍有关使用方程的技巧。
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11．运用方程获取并控制谐波平衡数据
a．为所希望的频谱（tones）创建一个矢量矩阵（索引值）。为此，写出一个频率方程，如图所示。这个方程用方括号建立一个矩阵。方括号里面的大括号给出mix表格的索引值。在这个例子中，数字1代表具有调节间隔的RF频率，零代表没有频率成分（如同直流），“2”代表对RF仿真频率的两倍。
b．插入一个以dBm表示Vout频谱的矩形图。如图，使用Trace Options（轨迹选择）编辑the Trace Expression（轨迹表达式），如图所示。使用圆括号—输入：
dBm (mix（Vont，tones）），同时，设置频谱的Trace Type（曲线类型）。
c．图中应该显示的是你设定的四个频率点的频谱（10MHz间隔）。证明方法如下：插入一个Mix的列表，表格Mix中的索引值是你在tones方程中指定的频率。这就是通过方程获得并控制谐波平衡数据的方法。
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12．对IP3或TOI（third order intercect三阶交截点）仿真。
a.在hb_2Tone原理图上，插入两个谐波平衡IP3out测量方程。一个为上边频，另一个为下边频。许多测量方程都要求双音（即双频）。因此，如右图所示用upper和lower命名实例名。
b．请注意默认的节点标记（Vout），矢量｛1，0｝和阻抗50。为了使电路与这些值匹配，将vout改为Vout（上面例子为v）。然后，根据最近一次仿真得到的mix表格设置索引值，如图所示（只有lower_toi需要改变）。
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c．检查方程的正确性，然后仿真。
d．在数据显示中，列出两个测量方程的值，如右图所示。使用Plot选项去掉独立变量。这时，放大器TOI值比较合理而且几乎对称。
e．作为一个使用ADS函数控制数据的练习，在数据显示器为同一测量写一方程，如下图所示。然后如图一样对其列表（my_toi）。因为运用了同一函数ip3_out,所以你得到的值是一样的。唯一不同的是它是仿真后得到的。同时，在这个实验末尾的选作步骤中你将用到这个方程式。
f．作出以dBm表示的vout的频谱图，并在图上放大(zoom in)观察你刚才仿真的双频。 把Marker放在上边基频和3阶频率上—这些应该与在Mix表格中的频率值匹配。
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备注—你可以容易地返回到原理图上，调节间隔VAR值并再次仿真。所有的方程、图和表格都会刷新为新的数据。这就是为仿真和数据显示使用变量的价值。
g．保存原理图和数据显示。
关于混频器测量的备注—如果你要设计混频器，在仿真控制器中，本振（LO）应为Freq［1」，因为它有最大功率。同时，在测量方程中，你应该把双音数据当作三音处理：本振LO，上边频RF1和下边频RF2。例如，作为一个下变频器的上边频IP3方程，将引用下面的索引值：｛-1 ,1，0｝，｛-1，2，I｝，这里“-1”代表的是本振信号音。
13．选作——针对TOI测量作RF功率扫描
本步骤说明当输入功率使的器件工作点趋向于压缩点时，对TOI的影响。总的来说，许多测量在指定的要求下被精炼而得到更好的测量结果。为达到这个目的，你必须有一个像ADS这样具有强大功能的非线性仿真器和数据显示的工具。
a．用hb_toi为名字另存设计hp_2Tone，设置谐波平衡仿真控制作RF功率扫描，如右图范围从-45dBm到-30dBm。你已经测到1dB压缩点（RF输入功率约为-3ldBm)，同时你也完成了TOI的测量（大约15dBm)。
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b．仿真并观察在数据显示中的变化。
c．编辑My_toi列表，使其包括独立数据（RF_pwr)。增加列表的宽度使其所有数据中都能展现出来。正如你看到的，随着RF_pwr的增大，TOI变化逐渐变大。但是，变化并不是线性的。下面的操作将更细致地表现这种变化。
d．把my_toi列表转变为一个Rectangular Plot（矩形图）（Plot Options一点击图形类型图标）。然后就在这个图上，插入以dBm表示的Vout,同时编辑轨迹表达式。再回到RF上边频，如下图所示，现在你能看到在这个频率下TOI测量结果是怎样表现出来的。
关于Vout数据的各注：你必须运用Mix函数，因为Vout包含了41个频率点。包括：
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2个基波，每个基波4个谐波（一共就有8个频率成分）。有8个max_order（这就意味着有32个相互调制的频率）。加上直流(DC)成份，这41个音代表了16个RF功率中的每一个值。
e．再增加一条Vout轨迹在图上，再次编辑轨迹（轨迹表达式）使其变为上边带3阶产物。
f．你的图形现在应像下图一样，它包括了RF_freq上边频，上边频3阶产物和方程my_toi。
现在，编辑my_toi轨迹并选择Plot Axes（如下图），对这条轨迹选择Right Y轴，观察其变化。
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g．在Right Y轴，你的图己经有了从你的方程得到的TOI的值。同时，用来计算ToI的双频在左边。现在，使用Plot Options,选择Y Axis.同时去掉Auto scale（不选）。然后增加Max到10并点击OK。最后，放置一个Maker在一个点上，这个点对于双音的斜率不再是3: 1。正如你看到的，IP3是在正确区域计算。但是，Marker以后的曲线，3阶产物开始一个急速的上升。这是一个运用ADS的很好的例子，从中可以了解到你的设计的性能，更多的指标。
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附加练习：
1．扫描RF频率—复制原理图并把扫描变量从RF功率(power)变为RF频率(f req）。为此，在控制器和源中为RF_f req建立变量(VAR)。从100MHz到3GHz以l00MHz为步长扫描 RF_freq。请确认己经改变数据组名称，然后仿真和对扫描频率作出输出功率方程的曲线，如右下图所示。同时注意数据组将包含谐波索引列表（如图）。
2．试着写一个方程，使所有5阶产物能出现在频谱图。
3．用pspec函数计算对负载的功率增益。做这一步时，首先请参阅pspec帮助文件，然后在Vout节点插入一个电流指示器（current probe）。
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