射頻(RF)領域的問題可以分為小信號和大信號兩大類。基于TCAD的小信號的預測時常很困難，這是因為將器件特性復制到仿真器中會非常復雜。在大信號預測中，則可能會因為操作限制和器件的不理想而導致失真。在那些我們能夠準確仿真小信號解決方案的實例中，也同樣可能可以仿真大信號解決方案。

TCAD原理

讓我們看看圖1顯示的一個實際問題，無論小信號和大信號放大器都會出現此類問題。在小信號情況下，放大器通常為A類放大器，我們假設是共軛匹配(conjugate match)，設計是公式化的。在大信號情況中，放大器可以是AB類甚或B類，這種情況下的最佳性能選用的匹配通常不是共軛匹配。這種大信號放大器的設計通常是在測試實驗室中，通過對輸入和輸出匹配網絡、輸入偏置和諧波終端(harmonic termination)的最優化實現的。如果同時考慮這些參數和本征器件(intrinsic device)設計參數的話，就會得出較大的研究空間。對于經常采用不同技術的多級放大器就有可能導致這種參數的劇增。

為了了解不同器件設計的性能，我們不應該在相同的匹配、諧波終端和偏置上對所有器件設計進行比較，而是必須與那些產生器件設計的最佳性能的值進行比較。通過比較放大器中每一種器件的最優性能條件，就可以做出最佳性能器件設計的選擇。

這就為所考慮的電路和器件的全部大信號仿真提出了一個清楚的案例。如果工程師希望評估當時還沒有已測量數據的新器件，就必須采用TCAD解決方案。TCAD數據的大信號仿真通過四種方法完成：

1. 在TCAD中采用混合模式的瞬態仿真；

2. 在TCAD工具中直接采用集成的諧波平衡(Harmonic Balance)進行大信號仿真；

3. 特殊工具將復合仿真結果和電路設計整合；

4. 從TCAD數據提取大信號緊湊模型，并使用這些模型來理解大信號特征參數。

研究采用最基本方法，即混合模式進行仿真的可能性非常重要。在混合模式中，瞬態電路仿真直接在TCAD軟件中完成。在通常情況下，電路設計師并不采用瞬態仿真而是采用諧波平衡來解決這些大信號仿真問題。面臨的挑戰主要是在工作臺(workbench)內準確描述RF電路，然后采用簡單的單(或雙)頻率載波(CW)輸入功率掃描，執行TCAD仿真。瞬態仿真必須在穩定狀態下執行，可能需要幾個周期的時間。在器件處于壓縮時，這種仿真可能會面臨更多數值上的挑戰。所仿真的時間序列必須足夠長，才能描述所需的最低頻率。對于雙音或多音(tone)問題，可能需要很長時間的瞬態仿真。因此，運行功率掃描可能非常耗時。此外，混合模式工作臺的設計大多非常糟糕，因為它缺少像復抗阻這樣的關鍵項。對于實際電路而言，這種方法的主要問題是速度和收斂。

第二種方法是在TCAD仿真工具中實現諧波平衡。諧波平衡方法更正確的稱呼是KCL-HB或基爾霍夫電流定律諧波平衡，用于安捷倫公司的先進設計系統(ADS)、Cadence的Spectre-RF，以及在RF和模擬設計中常用的其它電路仿真器。諧波平衡是一種非線性的頻域技術，用于確定具有較寬頻率變化內容的系統的準周期穩態解決方案。這種方法采用下列等式：

該等式描述了線性和非線性電路電流之間的關系，括號中的參數是線性部分，其余的是非線性部分的。Is是電源電流，Y是線性電路導納矩陣(admittance matrix)，V是內部節點電壓矢量，Ω是對角線上的角頻率矩陣，Q是頻域中的電荷矢量，IG是頻域中的非線性電路的電流。當線性和非線性電路達到平衡時，這種解決方案就開始收斂。

利用TCAD的實現方案需要大量開發工作。盡管這一領域有了大量的研究和源于大學的程序可用，但市場上一直沒有提供可靠的工具。諧波平衡是大信號RF問題采用的一種方法，通常在電路仿真工具中執行。諧波平衡是一種非線性頻域穩態仿真。

線性電路組件僅在頻域中進行建模，非線性組件在時域中建模，并且在每一步都轉換到頻域。運算法則一般將這種處理的諧波數量限制在7~11次。達到11次的內存要求是4~8GB，還不包括器件仿真所需的內存。可以使用需要較少內存的迭代解決方案。由于資源有限，這些內容要求導致了諧波次數限制，多級放大器的分析目前不能采用這種方法。掃描可能需要幾個小時，而實際器件所需的時間可能會更長。