In TINA v16 und späteren Versionen können Sie nichtlineare HF- und Mikrowellenschaltungen mithilfe der Harmonischenbilanzanalyse untersuchen. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass keine detaillierte Simulation im Zeitbereich erforderlich ist, was insbesondere bei Signalen im GHz-Bereich sehr aufwendig sein kann. Stattdessen geben Sie einfach die gewünschten Basisharmonischen an, und das Programm berechnet und zeigt die resultierenden Spektrallinien an. Beispielschaltungen für die Harmonischenbilanzanalyse finden Sie in der Dokumentation. Beispiele\RF\HB Ordner von TINA.

Schauen wir uns ein paar Beispiele an.

Frequenzverdreifacherschaltung

Öffnen Sie die Schaltung Tripler BJT.TSC aus dem Ordner Examples\RF\HB von TINA.

Diese Frequenzverdreifachungsschaltung erzeugt mit Hilfe eines Hochfrequenz-Bipolartransistors (MMBR941) ein 2.4-GHz-Ausgangssignal, genau das Dreifache der 800-MHz-Eingangsfrequenz.

Um das Ausgabespektrum zu erhalten, führen Sie die Harmonische-Balance-Analyse über das Menü „Analyse“ mit den unten stehenden Einstellungen durch. Stellen Sie sicher, dass Sie Folgendes auswählen: Vout im Ausgabefeld.

Folgende Spektralspannungen werden angezeigt.

Man beachte, dass die dominante Spektralkomponente bei der dritten Harmonischen (2.4 GHz) mit einer Amplitude von 113.85 mV auftritt, während die Grundkomponente bei 800 MHz mit nur 1.77 mV deutlich geringer ist. Dies bestätigt die korrekte Frequenzverdreifachung.

Sie können die Spektrallinien auch grafisch anzeigen lassen, indem Sie auf die Schaltfläche klicken. Unentschieden Schaltfläche im Dialogfeld „Harmonische Balanceanalyse“.

Beachten Sie, dass Sie die numerischen Werte der Spektrallinien durch Anklicken anzeigen können.  (Auto Label)  Klicken Sie auf die Schaltfläche im Diagramm und anschließend auf den oberen Rand einer Spektrallinie.

Sie können die gewünschten Spektrallinien auch direkt durch Angabe ihrer Frequenzen festlegen. Dies ist besonders nützlich, wenn einige Spektrallinien weit von der Grundfrequenz entfernt liegen, da deren Definition als Vielfache der Grundfrequenz eine übermäßige Anzahl von Spektrallinien erfordern würde.

AM-Demodulator mit PIN-Diode

Um diese Technik zu veranschaulichen, öffnen Sie die Schaltungsdatei AM Demodulator with PIN Diode.TSC aus dem Ordner Examples\RF\HB in TINA.

Dies ist eine einfache PIN-Dioden-Detektorschaltung mit einem RC-Tiefpassfilter am Ausgang.

Das AM-Signal wird durch drei Generatoren dargestellt: einen bei der Trägerfrequenz von 1 GHz und zwei Generatoren, die die oberen und unteren Seitenbänder bilden, die jeweils 100 kHz vom Träger entfernt sind.

Berechnen Sie nun die Amplitude des Modulationssignals am Ausgang des PIN-Detektors mithilfe einer harmonischen Balanceanalyse.

Auswählen Harmonische Gleichgewichtsanalyse… von der Analyse Menü. Die HB-Analyse Dialog erscheint.

Wie bereits beschrieben, geben wir in diesem Fall nur die drei bekannten Frequenzen an. HB-Analyse Anstatt alle Spektrallinien von der Grundfrequenz aus zu berechnen, verwenden wir einen Dialog, da dies andernfalls die Berechnung von 10,000 Spektrallinien erfordern würde. Für die Grundfrequenz von 100 kHz benötigen wir jedoch aufgrund der eingeführten Verzerrung die Berechnung von fünf Spektrallinien.

durch die Diode.

Drücken Sie jetzt die Taste Berechnen Man drückt den Knopf, und die Werte der Spektralspannungen werden angezeigt.

Beachten Sie, dass die Wellenformen bei diesen Frequenzen auch mittels Transientenanalyse berechnet werden können, dies ist jedoch nicht erforderlich.

Auswählen vergänglich von der Analyse / Transiente… Menü. Die Vorübergehende Analyse Dialog erscheint.

Drücken Sie auf OK Nach kurzer Berechnung erscheinen im Diagrammfenster die Wellenform des AM-Signals und des demodulierten Signals.

Wir können die Ergebnisse der Harmonischen-Balance-Analyse auch mithilfe einer Fourier-Reihenanalyse überprüfen.

Um die Fourierreihenanalyse durchzuführen, klicken Sie auf das obere demodulierte Signal. Wählen Sie Fourier… von der Prozess Menü des Dialogfensters.

Die Fourierreihe Dialog erscheint.

Stellen Sie sicher, dass die Basisfrequenz auf 100 kHz eingestellt ist.

Drücken Sie auf Berechnen Auf diese Schaltfläche wird das Fourier-Spektrum angezeigt.

Der berechnete Wert von 208.75 mV bei 100 kHz liegt sehr nahe an dem Wert von 202.70 mV, der mit der Methode der harmonischen Balance berechnet wurde.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass, wie wir in diesem Beispiel gesehen haben, die zunehmende Leistungsfähigkeit moderner Computer die Zeitbereichsmethoden immer konkurrenzfähiger mit der Harmonic-Balance-Methode macht.