谐波平衡法仿真原理和基本概念介绍

谐波平衡法仿真主要应用于射频低噪声放大器、混频器和振荡器电路设计和仿真中。在射频系统设计时，也常用于系统谐波和交调干扰信号的仿真分析，是ADS对射频电路仿真独特的一种仿真方式。

今天的内容从下面几个方面展开：谐波平衡仿真原理和基本概念、仿真控制器介绍、谐波平衡法仿真实例包括单音信号的谐波平衡法仿真实例和双音信号的谐波平衡法仿真实例基本等内容。

谐波平衡法仿真原理和基本概念

谐波平衡仿真通过对时域周期性信号做傅里叶变换，来获得电路的频域特性，是分析非线性信号频率特性的有力工具。谐波平衡法仿真支持电路进行多音信号仿真，并通过迭代算法，逼近输出信号相应基波、谐波的稳态解。在迭代结束后，可以获得电路网络噪声系数、三阶交调点、本振泄露、镜像抑制以及交调干扰等参数。相比于时域仿真，谐波平衡法仿真在频域可以较好地描述射频电路与系统，建立频域模型，并最终获得稳态响应。谐波平衡法仿真具有以下功能：分析输入、输出信息的频谱分量；分析电路三阶交调点、总谐波失真，交调干扰等参数；分析非线性电路的噪声特性。

三阶交调是三阶交调截取点IP3（Third-order Intercept Point）的简称，在射频或微波多载波通信系统中，三阶交调点是一个衡量线性度或失真的重要指标。交调失真对模拟微波通信来说，会产生临近信道的串扰，对数字微波通信来说，会降低系统的频谱利用率，并使误码率恶化；因此容量越大的系统，要求IP3越高，IP3越高表示线性度越好和更少失真。IP3通常用两个输入音频测试，这里所指的音频与我们在低频电阻线路的音频有区别，实际上是两个靠的逼近近的射频或微波频率。

谐波平衡法仿真面板与仿真控制器

1、标准谐波平衡法仿真控制器（Harmonic Balance）：在谐波平衡法仿真控制器中主要设置谐波平衡法仿真的输入基波频率、最高次谐波频率、仿真选项以及噪声分析等内容。

2、谐波平衡法仿真选项控制器（OPTION）：可以设置谐波平衡放真的环境温度、设备温度、放着呢收敛性等，参数意义与S参数仿真控制器中的定义相同。

3、谐波平衡法扫描方案控制器（SWEEP PLAN）：在该控制器中可以设置谐波平衡法仿真的环境温度、设备温度、仿真收敛性等

4、参数扫描控制器(PARAMETER SWEEP)

可以设置谐波平衡法仿真的扫描变量、仿真控制器等信息

5、终端（Term）

可以定义网络端口阻抗信息，是进行谐波平衡法仿真必备的元件。

6、线性化预算控制器（BUDGET LINEARIZATION）

在仿真中分析电路的线性化程度。

7、谐波噪声控制控制器（HB NOISE CONTROLLER）

主要用于在仿真中设置电路的噪声频率、节点等信息

8、单端口振荡器端口元件（OscPort）

9、差分振荡器端口元件（OscPort2）

10、时域电流波形控制器（It）

主要在仿真中显示电路时域电流的波形

11、时域电压波形控制器（Vt）

12、功率控制器（Pt）

13、频域电流波控制器（Ifc）

14、频域电压波形控制器（Vfc）

15、功率谱密度显示控制器（Pspec）

16、输入三阶交调点分析控制器（IP3in）

17、输出三阶交调点分析控制器（IP3out）

18、N阶交调点分析控制器（IPn）

19、信噪比分析控制器（SNR）

20、预算分析控制器：主要用于在仿真中对电路的频率、增益、增益压缩点、反射系数、三阶交调点、噪声、信噪比以及驻波比等参数进行欲估计。

谐波平衡法仿真实例

采样放大器电路进行谐波平衡法仿真，主要包括单音信号和双音信号两大类的谐波平衡法仿真，分别观测放大器输出信号高次谐波以及输入、输出三阶交调点特性。

单音信号的谐波平衡法仿真

进行放大器单音信号谐波平衡法仿真的主要目的是为了观测放大器输出信号的高次谐波，以此来判定放大器的线性化程度。在单端输入、单端输出放大器中，主要观测二次和三次谐波与基波的比值，一般的标准是二次和三次谐波相比基波的衰减在60dB以上，可视为该放大器的线性度较为理想。衡量线性度具体指标的输入、输出三阶交调点将在双音信号谐波平衡法仿真中进行讨论。

实验步骤：

1、这个实验是在之前的基础上完成的，因为是单音信号的谐波平衡仿真，所以，这里输入的信号源是单频率的信号源，在“Source-Freq Domain”中选择P_1Tone信号源作为输入信号，并对其进行设置。

2、之后在谐波平衡法中。

3、再在输入输出端，对线进行标记，这样好看结果。还要增加一个测量公式控制器。

这里的公式表示的是输出信号的功率，这里的[1]表示计算的基波信号，[0]和[2]分别表示的是直流信号和二次谐波。

4、最终的原理图如下图所示：

5、进行仿真和观察结果。观察输出信号的各次谐波的能量分布，以及看基波的功率输出，如下：

可以看出，输出基波功率是-18.963dB，二次谐波和三次谐波分布是-66.271dB和-98.732dB。可以看到二次谐波相比于基波衰减小于60dB，所以该放大器的线性度不是很好，要大于60dB才很好，所以放大器还是有改进的地方。

双音信号的谐波平衡法仿真

通过单音信号谐波平衡法仿真，我们进行了放大器线性度的基本仿真，放大器线性度的衡量指标主要通过输入、输出三阶交调点来反映，而输入三阶交调点又可以通过输出三阶交调点除以增益得到，所以以下就采用双音谐波平衡法仿真输出三阶交调点。输出三阶交调点大于10dB以上时，放大器的线性度较为良好，这里也以此指标作为双音谐波平衡法仿真的基本目标。

1、这里就需要两个信号来进行仿真，把“P_1Tone”换位“P_nTone”，中，设置频率分别为如下设置，这里出现了三个变量，RF_freq、fspacing、RF_pwr，后面需要对他们进行定义和初始化。

它分别表示的是输入信号的频率是2.4GHz，信号的输入功率是-30dB，频率间隔是10MHz。

2、在谐波平衡法仿真控制面板中，选择ipol_upper和ipol_down，分别表示上变频和下变频的输出三阶交调点。对ipol_down进行修改，修改公式为：ipo2=ip3_out(vout，{0,1},{-1,2},50)。

3、设置谐波平衡仿真控制器，设置双音信号最高的混频谐波频率和谐波次数。分别为5。

最后的电路图如图所示：

这里要注意的是Freq[1]和Freq[2]在信号源设置和谐波仿真控制器设置的时候顺序不能反，否则没有效果。

4、对其进行仿真，结果如下：

将2.4GHz附近的点进行展开，设置x坐标

可以看到：

最后观察三阶交调点。

上图分别是上变频和下变频的输出三阶交调点。三阶交调点均在10dB附近就是放大器的线性度就比较好。

可以看结果不是很理想，但是我们知道了怎么对三阶交调点进行计算，并且知道了怎么进行谐波平衡仿真，怎么判断一个放大器的线性度是否良好，怎么进行单音信号的谐波平衡法仿真、怎么进行双音信号的谐波平衡法仿真，怎么仿真出三界交调点。