射频谐波平衡分析非线性电路

2019年8月30日

五彩缤纷的PCB组件

你可能需要射频谐波平衡分析确定最佳操作点和频域响应的PCB

设计师对阻抗匹配制造很多噪音,这是经常讨论在理想情况下是唯一接近现实。我们认为真正的正弦交流驱动,这不是现实的情况,使阻抗匹配困难的真实信号。幸运的是,射频谐波平衡分析可以帮助您确定适当的线性和非线性电路的阻抗匹配几乎真正的正弦信号或数字信号。

在分析非线性射频电路的挑战

在线性和非线性电路与一个周期信号驱动,系统最终将进入一个稳定状态后,瞬态响应衰减为零。注意,这也适用于稳定回路和反馈;系统最终将进入一个稳定的稳态响应在接下来的电路的驱动程序。

在射频电路中,特别是在mmWave频率,一个常见的任务是阻抗匹配在不同网络。提供最大功率传输(即从一个网络。一个司机),下游(即网络。接收器)和抑制反射在下游的输入阻抗匹配需要感兴趣的特定频率。当处理一个理想正弦驱动信号在线性电路,这很简单;你的工作是在一个频率匹配阻抗。然而,非线性电路可以有非线性电阻,这意味着当前是一个非线性函数的驱动电压。

不幸的是,真正的司机不产生完美的正弦信号,许多电路并不是纯粹的线性。即使你的驱动管理来生成一个完美的正弦信号,该信号的接收机将不再是完美的正弦。电力汽车噪声等问题,EMI收到跟踪连接司机和接收器,反思跟踪由于阻抗不连续(如通过,弯曲,焊接连接,或其他几何变化跟踪),和相位噪声引起的正弦信号偏离期望的频率和/或阶段。

实际电路也可以包含非线性元素(例如,二极管),将产生谐波正弦基调。正如基本频率需要输出端口的阻抗匹配特定的电路,在理想情况下,这些谐波也应该是阻抗匹配各自输入电压水平。不幸的是,这是不可能没有创建一个级联迭代LC网络阻抗匹配的基本频率和谐波。理论上,这将需要无限的级联阻抗匹配网络。

音叉放在一个圆
这些音叉将生成多个色彩

最好的你所能做的就是确定每个谐波的电压水平,导致电路满足基尔霍夫电流定律在所需的频率占司机的带宽,任何谐波信号中,阻抗可以是一个非线性函数。这就是与非线性射频模拟电路谐波平衡成为重要的子电路或电路与一个不那么完美的正弦驱动的基调。然后可以分析电路中反射来确定适当的阻抗产生匹配特定的输入信号。

这种独特的频域分析技术允许一个设计师之间的关系来分析一个不完美的正弦驱动信号,每个谐波的驾驶水平,网络中的电流,甚至网络的阻抗,在非线性电路元素的存在。注意,这适用于定常非线性电路,虽然一些研究人员使用射频谐波平衡periodically-varying或nearly-periodic电路。你可以计算电路中通过的电流作为输入的频谱函数和输入电压水平。这个模拟的输出应该匹配当前你会与一个矢量网络分析仪测量在频域,因此,仿真与实验提供了一个有用的比较。

射频谐波平衡是如何运作的吗

在射频谐波平衡分析的目标是估计所需的输入电压满足基尔霍夫电流定律在网络在特定的频率。这样做是通过一个非线性电路,分裂成它的线性和非线性子电路。注意,不能完全满足基尔霍夫电流定律与上面列出的数值技术,但你可以满足它在用户定义的阈值(称为错误如下):

射频谐波平衡问题的陈述

由于许多电路的非线性性质,你很快就会发现你需要解决一个或多个超越方程来确定电压值在每个频率的驱动信号。例如,如果包括基本频率和它的前三次谐波,你一共有八(4振幅和四相位方程)超越方程,这可能是相互耦合的。这些问题迅速成为棘手,因此迭代的数值方法(例如,牛顿)通常是使用,或者问题可以写成一个优化问题,解决了使用试错(例如,一个进化算法)。

射频谐波平衡流程图

流程图显示谐波平衡仿真流程图

一旦你的模拟收敛,可以变换估计输入光谱傅里叶反变换回时域。这给了你时间输入信号的波形。最后的迭代线性和非线性电流也告诉你时间电流在整个电路。这两个函数的乘积的瞬时功率。

建立一个射频谐波平衡模型

作为输入波形变得更加非线性时域,或多个方形,更多的谐波要求正确描述输入波形在频域。这将开始减缓模拟越来越多的未知添加到矩阵。寄生在现实中,导致任何物理电路带宽有限的性质,这是特别的情况射频电路和设备。因此,您可以限制有用频率较低的数字。

对于任何周期性波形发送到电路在考虑,你可以从理论上构建一个输入谱与无限的离散频率,频率和考虑不需要相关的整数。这意味着,尽管“谐波平衡”这个词,您可以考虑诸如互调产品或输入谱噪声。非线性元件的电路自然会产生谐波的输入频率,并且你不应该包括这些特殊频率的输入谱。

当输入信号有限离散谱模型用于描述电路正在考虑中的组件参数文件。注意,这些模型可以推广到X-parameters描述非线性组件,提供一个更完整的描述在任何输入信号电平电路的行为。包括更多的频率计算增加所需的收敛时间,并没有保证你的模拟收敛,因为这取决于迭代步骤期间实施评估和使用的时间步长离散傅里叶变换。