一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法和系统
阅读说明：本技术 一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法和系统 (Simulation identification method and system for parameter oscillation of power amplifier ) 是由 陈建强 张志浩 彭林 章国豪 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法和系统,以谐波平衡分析仿真控件为基础,搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台,仿真激励源包括基波源和子谐波源,取基波源和子谐波源两者的频率的最大公因子作为谐波平衡分析仿真控件的基波频率,基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积作为谐波平衡分析仿真控件的谐波次数,在激励源和谐波平衡分析仿真控件的参数设置好之后开始仿真,获得仿真输出功率波形,根据仿真输出功率波形判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡,不受限于小信号电路,在电路处于大信号时,依然能够进行参数振荡判别,且不需要依赖于判断两端口的反射系数。(The invention discloses a simulation identification method and a system for parameter oscillation of a power amplifier, which are characterized in that a power amplifier circuit parameter oscillation simulation platform is set up on the basis of a harmonic balance analysis simulation control, a simulation excitation source comprises a fundamental wave source and a sub-harmonic wave source, the maximum common factor of the frequencies of the fundamental wave source and the sub-harmonic wave source is taken as the fundamental wave frequency of the harmonic balance analysis simulation control, the product of the frequency division times of the fundamental wave and the harmonic frequency of the fundamental wave observed by a target is taken as the harmonic frequency of the harmonic balance analysis simulation control, the simulation is started after the parameters of the excitation source and the harmonic balance analysis simulation control are set, the simulation output power waveform is obtained, whether the power amplifier circuit has parameter oscillation under the sub-harmonic frequency of the target frequency division times is judged according to the simulation output power waveform, the simulation output power waveform is not limited by a small-signal circuit, when the circuit is in a large signal, the parameter oscillation discrimination can still be carried out, and the dependence on the reflection coefficient of two ports is not required to be judged.)
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，尤其涉及一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法和系统。
背景技术
射频功率放大器是射频收发系统中最重要的部件，因此，射频功率放大器在电路上的设计是极其关键的环节。由于存在多个非线性因素以及反馈回路，大多数功率放大器的多级拓扑结构使得功率放大器很容易出现参数振荡，即产生与输入信号功率或输入信号频率相关联的杂散信号，而在功率放大器电路设计上，在设计阶段采用恰当的分析策略来判别功率放大器电路是否存在参数振荡具有很大的必要性，以便于在芯片制造之前对电路采取具体的稳定措施，避免不必要的成本浪费，进而提高芯片制造的成功率。
对于功率放大器的稳定性分析，传统的做法是采用Rollet稳定性因子分析方法进行判别，其具体原理是：考察沿传输线传输的电压波，如果反射系数Γ＞1，则认为该电路将出现不稳定现象，因为此时反射电压的幅度相较于入射电压将变大，形成正反馈，最终导致振荡的发生，反之，如果反射系数Γ＜1，则认为该电路将保持稳定。同时考虑输入端口Γin＜1和输出端口Γout＜1，利用S参数进行表示简化，得到确保功率放大器绝对稳定的两个条件：
|Δ|＝|S11S22-S12S21|＜1
在实际工程仿真软件中，通过保证Rollet稳定性因子k＞1和|Δ|＜1两个条件同时成立，表示该功率放大器处于绝对稳定状态。Rollet稳定性因子分析方法是一种经典的稳定性判别方法，但是该方法适用于小信号电路分析，一旦电路处于大信号工作状态，将表现出非线性效应，无法从小信号稳定性分析中预判得到是否产生参数振荡，并且，对于多晶体管并联和多路合成的功率放大器，由于内部存在多个反馈回路，仅仅判断两端口的反射系数已经不足以确保功率放大器处于绝对稳定状态。因此，提供一种适用于大信号工作状态下直观地进行参数振荡判别，并能够适用于多晶体管并联和多路合成的功率放大器的参数振荡稳定性判别的方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法和系统，用于解决Rollet稳定性因子分析方法仅适用于小信号电路稳定性分析，不适用于大信号工作状态下的参数振荡判别，和不适用于多晶体管并联和多路合成的功率放大器的参数振荡稳定性判别的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法，包括：
在谐波平衡分析仿真控件中搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，所述功率放大器电路参数振荡仿真平台包括基波源、子谐波源、源阻抗、负载阻抗和功率放大器电路，所述子谐波源连接所述基波源，所述基波源连接所述源阻抗，所述源阻抗连接所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接所述负载阻抗，所述子谐波源和所述负载阻抗接地；
设置所述谐波平衡分析仿真控件的基波频率和谐波次数，其中，所述基波频率等于所述基波源和所述子谐波源两者频率的最大公因子，所述谐波次数等于基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积；
在开始仿真之后，通过扫描基波源的输入信号功率，得到输出的基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率，根据所述基波输出功率和所述目标分频次数的子谐波输出功率判断所述功率放大器电路是否存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
可选地，所述谐波平衡分析仿真控件为Harmonic Balance。
可选地，所述根据所述基波输出功率和所述目标分频次数的子谐波输出功率判断所述功率放大器电路是否存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，包括：
判断所述目标分频次数的子谐波输出功率是否小于所述基波输出功率预置大小，且所述目标分频次数的子谐波输出功率是否随着所述基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势，若是，则判定所述功率放大器电路存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
可选地，当所述目标分频次数的子谐波输出功率随着所述基波源的输入信号功率的增加发生超过5dB的增长时，视为所述目标分频次数的子谐波输出功率随着所述基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势。
可选地，所述子谐波源的频率设置为所述基波源频率的一半。
本发明第二方面提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别系统，包括：
仿真平台搭建模块，用于在谐波平衡分析仿真控件中搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，所述功率放大器电路参数振荡仿真平台包括基波源、子谐波源、源阻抗、负载阻抗和功率放大器电路，所述子谐波源连接所述基波源，所述基波源连接所述源阻抗，所述源阻抗连接所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接所述负载阻抗，所述子谐波源和所述负载阻抗接地；
仿真参数设置模块，用于设置所述谐波平衡分析仿真控件的基波频率和谐波次数，其中，所述基波频率等于所述基波源和所述子谐波源两者频率的最大公因子，所述谐波次数等于基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积；
仿真结果输出模块，用于在开始仿真之后，通过扫描基波源的输入信号功率，得到输出的基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率，根据所述基波输出功率和所述目标分频次数的子谐波输出功率判断所述功率放大器电路是否存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
可选地，所述谐波平衡分析仿真控件为Harmonic Balance。
可选地，所述根据所述基波输出功率和所述目标分频次数的子谐波输出功率判断所述功率放大器电路是否存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，包括：
判断所述目标分频次数的子谐波输出功率是否小于所述基波输出功率预置大小，且所述目标分频次数的子谐波输出功率是否随着所述基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势，若是，则判定所述功率放大器电路存在所述目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
可选地，当所述目标分频次数的子谐波输出功率随着所述基波源的输入信号功率的增加发生超过5dB的增长时，视为所述目标分频次数的子谐波输出功率随着所述基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势。
可选地，所述子谐波源的频率设置为所述基波源频率的一半。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法，以谐波平衡分析仿真控件为基础，搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，仿真激励源包括基波源和子谐波源，子谐波源一方面模拟真实环境噪声，另一方面作为谐波平衡分析仿真控件基波频率和谐波次数的计算参数，取基波源和子谐波源两者频率的最大公因子作为谐波平衡分析仿真控件的基波频率，基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积作为谐波平衡分析仿真控件的谐波次数，在激励源和谐波平衡分析仿真控件的参数设置好之后开始仿真，获得仿真输出功率波形，根据仿真输出功率波形判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，不受限于小信号电路，在电路处于大信号时，依然能够进行参数振荡判别，且不需要依赖于判断两端口的反射系数，解决了Rollet稳定性因子分析方法仅适用于小信号电路稳定性分析，不适用于大信号工作状态下的参数振荡判别，和不适用于多晶体管并联和多路合成的功率放大器的参数振荡稳定性判别的技术问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中提供的功率放大器电路参数振荡仿真平台示意图；
图3为本发明实施例中提供的应用例对应的功率放大器电路参数振荡仿真平台示意图；
图4为图3对应的仿真结果示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种功率放大器参数振荡的仿真识别系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法的实施例，包括：
步骤101、在谐波平衡分析仿真控件中搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台。
如图2所示，功率放大器电路参数振荡仿真平台包括基波源、子谐波源、源阻抗(RS)、负载阻抗(RL)和功率放大器电路(DUT)，子谐波源连接基波源，基波源连接源阻抗，源阻抗连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接负载阻抗，子谐波源和负载阻抗接地。基波源和子谐波源作为仿真激励源，基波源的频率为功率放大器的工作频率，子谐波源的频率为功率放大器的工作频率的分数倍。
在实际的电路中，环境的噪声足以触发电路潜在的参数振荡，为了在仿真中模拟真实的环境，本发明引入子谐波源来达到目的，子谐波源的信号功率足够小以使得不会对系统性能造成额外的干扰，同时和基波源共同决定谐波平衡分析仿真控件中的基波频率和谐波次数。
在一个实施例中，谐波平衡分析仿真控件选为Harmonic Balance。
步骤102、设置谐波平衡分析仿真控件的基波频率和谐波次数，基波频率等于基波源和子谐波源两者频率的最大公因子，谐波次数等于基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积。
在谐波平衡分析仿真控件的参数设置上，主要设置基波频率和谐波次数，为达到本发明的目的，基波频率取基波源频率和子谐波源频率的最大公因子，谐波次数取nN，n为基波的分频次数，N为需要观察的基波的谐波次数。
步骤103、在开始仿真之后，通过扫描基波源的输入信号功率，得到输出的基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率，根据基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
需要说明的是，在仿真参数设置好后开始仿真，通过扫描基波源的输入信号功率，得到基波输出功率波形和目标分频的子谐波的输出功率波形，根据基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。当不存在参数振荡时，子谐波频率对应的输出功率应该比基波频率对应的输出功率小得多，而且随着基波源输入信号的增加，子谐波频率对应的输出功率不会有明显的增长趋势。否则该电路可判别为对应子谐波频率下产生参数振荡，如图4所示，在输入功率信号超过5dB(大信号)时，对应子谐波频率下产生参数振荡。一般地，当目标分频次数的子谐波输出功率随着基波源的输入信号功率的增加发生超过5dB的增长时，视为目标分频次数的子谐波输出功率随着基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势。
本发明提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别方法，以谐波平衡分析仿真控件为基础，搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，仿真激励源包括基波源和子谐波源，子谐波源一方面模拟真实环境噪声，另一方面作为谐波平衡分析仿真控件基波频率和谐波次数的计算参数，取基波源和子谐波源两者频率的最大公因子作为谐波平衡分析仿真控件的基波频率，基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积作为谐波平衡分析仿真控件的谐波次数，在激励源和谐波平衡分析仿真控件的参数设置好之后开始仿真，获得仿真输出功率波形，根据仿真输出功率波形判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，不受限于小信号电路，在电路处于大信号时，依然能够进行参数振荡判别，且不需要依赖于判断两端口的反射系数，解决了Rollet稳定性因子分析方法仅适用于小信号电路稳定性分析，不适用于大信号工作状态下的参数振荡判别，和不适用于多晶体管并联和多路合成的功率放大器的参数振荡稳定性判别的技术问题。
为了更具体地对本发明实施例的功率放大器参数振荡的仿真识别方法的技术效果，本发明中提供了功率放大器参数振荡的仿真识别方法的一个具体实施例，如图3和图4所示。图3中，QRF为放大器管子；Lchoke为射频扼流电感，用来阻隔射频信号泄露到直流电源VG和VD；VG和VD分别为栅极和漏极提供直流偏置；Cblock为隔直电容，用来耦合输入射频信号到射频功率管QRF以及耦合输出射频信号到负载，避免放大器直流偏置点受到影响；RS和RL分别表示源阻抗和负载阻抗。电感L是为了与放大器管子的寄生电容产生谐振以模拟存在潜在子谐波振荡的放大器电路。
实际情况中，子谐波振荡以二分频为主，因此图3中的子谐波源频率设置为谐波平衡分析控件的基波频率设置为谐波平衡分析控件的谐波次数等于4。仿真中通过扫描基波源的输入信号功率Pin，观察基波输出功率和二分频子谐波的输出功率，仿真结果如图4所示。从图4结果可以直观地判别功率放大器是否产生参数振荡，当基波源的输入信号功率Pin达到一定水平时，子谐波输出功率突然显著增加，表明参数振荡的存在。
为了便于理解，请参阅图5，本发明中提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别系统的实施例，包括：
仿真平台搭建模块301，用于在谐波平衡分析仿真控件中搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，功率放大器电路参数振荡仿真平台包括基波源、子谐波源、源阻抗、负载阻抗和功率放大器电路，子谐波源连接所述基波源，基波源连接源阻抗，源阻抗连接所述功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接负载阻抗，子谐波源和负载阻抗接地；
仿真参数设置模块302，用于设置谐波平衡分析仿真控件的基波频率和谐波次数，其中，基波频率等于所述基波源和子谐波源两者频率的最大公因子，谐波次数等于基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积；
仿真结果输出模块303，用于在开始仿真之后，通过扫描基波源的输入信号功率，得到输出的基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率，根据基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
谐波平衡分析仿真控件为Harmonic Balance。
根据基波输出功率和目标分频次数的子谐波输出功率判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，包括：
判断目标分频次数的子谐波输出功率是否小于基波输出功率预置大小，且目标分频次数的子谐波输出功率是否随着基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势，若是，则判定功率放大器电路存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡。
当目标分频次数的子谐波输出功率随着所述基波源的输入信号功率的增加发生超过5dB的增长时，视为目标分频次数的子谐波输出功率随着基波源的输入信号功率的增加而出现明显增加的趋势。
子谐波源的频率设置为基波源频率的一半。
本发明提供了一种功率放大器参数振荡的仿真识别系统，以谐波平衡分析仿真控件为基础，搭建功率放大器电路参数振荡仿真平台，仿真激励源包括基波源和子谐波源，子谐波源一方面模拟真实环境噪声，另一方面作为谐波平衡分析仿真控件基波频率和谐波次数的计算参数，取基波源和子谐波源两者频率的最大公因子作为谐波平衡分析仿真控件的基波频率，基波的分频次数和目标观察的基波的谐波次数的乘积作为谐波平衡分析仿真控件的谐波次数，在激励源和谐波平衡分析仿真控件的参数设置好之后开始仿真，获得仿真输出功率波形，根据仿真输出功率波形判断功率放大器电路是否存在目标分频次数的子谐波频率下的参数振荡，不受限于小信号电路，在电路处于大信号时，依然能够进行参数振荡判别，且不需要依赖于判断两端口的反射系数，解决了Rollet稳定性因子分析方法仅适用于小信号电路稳定性分析，不适用于大信号工作状态下的参数振荡判别，和不适用于多晶体管并联和多路合成的功率放大器的参数振荡稳定性判别的技术问题。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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