S-Parameter-Export mit uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]

Simulation_
2024.11.02

Was Sie lernen werden

  • Grundlagen der S-Parameter (S11, S21) und ihre Bedeutung für die HF-Schaltungsanalyse
  • Projekterstellung und Schaltplanaufbau in uSimmics (ehemals QucsStudio)
  • Durchführung der Simulation und Erzeugung der .dat-Datei
  • Export der Simulationsdaten im Touchstone-Format (SnP)
  • Fehlerbehebung bei unerwarteten Simulationsergebnissen

Grundlagen der S-Parameter (Streuparameter)

S-Parameter (Scattering Parameters) beschreiben das elektrische Verhalten von Schaltungen im HF- und Mikrowellenbereich. Während in der klassischen Schaltungsanalyse Strom und Spannung als Beschreibungsgrößen dienen, werden im GHz-Bereich Signale als laufende Wellen behandelt. S-Parameter beschreiben das Verhältnis von einfallender, reflektierter und transmittierter Welle – und sind damit das Standardwerkzeug der HF-Technik.

Wichtige S-Parameter

S11 (Reflexionskoeffizient)
S11 gibt an, welcher Anteil des an Port 1 eingespeisten Signals dorthin zurückreflektiert wird. Er wird zur Bewertung der Eingangsimpedanzanpassung und des VSWR bei Antennen verwendet. Ein niedriger S11-Wert (z. B. unter −20 dB) bedeutet geringe Reflexion und gute Anpassung.

S21 (Transmissionskoeffizient)
S21 beschreibt, welcher Anteil des an Port 1 eingespeisten Signals an Port 2 ankommt. Er dient zur Bewertung der Einfügedämpfung von Filtern und der Verstärkung von Verstärkern. Bei verlustfreier Übertragung gilt S21 = 0 dB (100 % Transmission).

Gesamtablauf des S-Parameter-Exports

Der vollständige Arbeitsablauf zum Exportieren von S-Parametern in uSimmics (ehemals QucsStudio) umfasst folgende Schritte:

  1. Neues Projekt anlegen
  2. Schaltplan erstellen (Bauteile platzieren und verdrahten)
  3. S-Parameter-Simulation konfigurieren (Frequenzbereich, Stützstellen)
  4. Simulation ausführen (.dat-Datei erzeugen)
  5. Simulationsergebnisse prüfen (Diagramme, Smith-Diagramm)
  6. .dat-Datei ins SnP-Format exportieren

Schritt 1: Neues Projekt anlegen

uSimmics (ehemals QucsStudio) verwaltet Schaltpläne und Simulationsergebnisse projektbezogen. Alle zugehörigen Dateien werden in einem gemeinsamen Ordner gespeichert.

  1. uSimmics (ehemals QucsStudio) starten.
  2. Den Reiter „Project“ auswählen.
  3. Auf „New“ klicken.
  4. Projektname eingeben und Speicherort festlegen.
  5. Mit „OK“ bestätigen.

Am angegebenen Speicherort wird automatisch ein Projektordner erstellt. Alle nachfolgenden Dateien – Schaltpläne, Simulationsergebnisse und Exportdateien – werden dort abgelegt.

Schritt 2: Schaltplan erstellen

Als Beispielschaltung wird in diesem Artikel ein Butterworth-Tiefpassfilter 3. Ordnung (LC) verwendet, der mit dem Filter-Synthesis-Tool von uSimmics (ehemals QucsStudio) entworfen wurde (siehe https://denki-sim.blog/filter-synthesis_guide/).

Sie können entweder die automatisch generierte Schaltung aus dem Filter-Synthesis-Tool einfügen oder die Schaltung manuell aufbauen:

  1. Aus „Components“ → „Lumped Components“ Induktivitäten und Kondensatoren platzieren.
  2. Aus „Sources“ → „Power Source“ eine Eingangsquelle platzieren.
  3. Auf der Ausgangsseite einen Abschlusswiderstand (50 Ω) platzieren.
  4. Alle Bauteile verdrahten und GND-Symbole setzen.

Schritt 3: S-Parameter-Simulation konfigurieren

Der Frequenzbereich und die Auflösung der exportierten S-Parameter hängen von den Simulationseinstellungen ab. Stellen Sie sicher, dass der relevante Frequenzbereich vollständig abgedeckt wird.

  1. Das S-Parameter-Simulationselement (s-parameter simulation) auf dem Schaltplan doppelklicken.
  2. Folgende Parameter einstellen:
Parameter Beispielwert Beschreibung
Startfrequenz 1 MHz Untere Grenze des Simulationsbereichs
Stoppfrequenz 3 GHz Obere Grenze – muss die Grenzfrequenz des Filters deutlich überschreiten
Frequenzpunkte 301 Anzahl der Stützstellen; mehr Punkte erhöhen die Genauigkeit, verlängern aber die Rechenzeit
  1. Mit „Apply“ → „OK“ speichern.

Hinweis: Frequenzbereich und Anzahl der Stützstellen bestimmen direkt die Frequenzachse der exportierten SnP-Datei. Nachträgliche Änderungen erfordern eine erneute Simulation.

Schritt 4: Simulation ausführen

  1. Im Menü „Simulation“ → „Simulate“ wählen (oder F2 drücken).
  2. Falls ein Speicherdialog erscheint, die Datei unter einem aussagekräftigen Namen im Projektordner speichern.
  3. Nach erfolgreicher Simulation wird im Projektordner eine Datei mit der Endung .dat erzeugt.

Die .dat-Datei ist das interne Simulationsergebnis-Format von uSimmics (ehemals QucsStudio). Aus dieser Datei wird im nächsten Schritt das SnP-Format exportiert.

Schritt 5: Simulationsergebnisse prüfen

Bevor der Export durchgeführt wird, sollten die Simulationsergebnisse auf Plausibilität geprüft werden.

  1. Nach Abschluss der Simulation werden die Diagramme automatisch angezeigt.
  2. Im S21-Diagramm (Einfügedämpfung) die Filtereigenschaften überprüfen: Durchlassbereich, Grenzfrequenz, Sperrdämpfung.
  3. Im S11-Diagramm oder Smith-Diagramm die Eingangsanpassung kontrollieren.
  4. Im Reiter „Content“ (oder „Project“) unter „Datasets“ sicherstellen, dass die .dat-Datei angezeigt wird.

Falls die .dat-Datei nicht angezeigt wird:
Projekt speichern (Strg + S), uSimmics (ehemals QucsStudio) schließen und das Projekt erneut öffnen.

Schritt 6: S-Parameter exportieren (SnP-Format)

Jetzt werden die S-Parameterdaten im Touchstone-Format (SnP) exportiert.

  1. Im Reiter „Content“ unter „Datasets“ die .dat-Datei mit der rechten Maustaste anklicken.
  2. Im Kontextmenü „Export to SnP“ auswählen.
  3. Der Export wird ausgeführt. Im Projektordner wird je nach Schaltungstyp eine SnP-Datei erzeugt:
  4. 2-Tor-Schaltung: .s2p-Datei
  5. 1-Tor-Schaltung: .s1p-Datei

Die exportierte SnP-Datei entspricht dem industrie­standardisierten Touchstone-Format und kann in folgenden Tools weiterverwendet werden:

  • Keysight ADS, Microwave Office und andere kommerzielle HF-Simulatoren
  • LTSpice (eingeschränkte Importfunktion)
  • NanoVNA (Vektornetzwerkanalysator) zur Messwertverifikation
  • Python-Bibliothek scikit-rf für numerische Analysen

Praktische Anwendungsbeispiele

S-Parameter-Export ist besonders wichtig in folgenden Situationen:

Filterverifikation
Den simulierten S21-Verlauf des Filters exportieren und mit dem am Netzwerkanalysator gemessenen S21 der gefertigten Platine vergleichen – so lassen sich Abweichungen zwischen Simulation und Aufbau quantitativ bewerten.

Antennenentwicklung
S11 (VSWR) der Antenne exportieren und in anderen Tools für die Analyse von Antenneneffizienz und Abstrahldiagramm verwenden.

Verstärkerstabilitätsanalyse
S-Parameter des Verstärkers exportieren und in externen Tools die Stabilitätsfaktoren (μ-Faktor, K-Faktor) berechnen.

Fehlerbehebung

Symptom Mögliche Ursache Lösung
S11 über gesamten Frequenzbereich hoch Impedanzfehlanpassung an Ein-/Ausgang, GND nicht verbunden Schaltungsverbindungen prüfen, Impedanz der Signalquelle kontrollieren
S21 unerwartet hoch (zu geringe Dämpfung) Falscher Bauteilwert, Verdrahtungsfehler Bauteilwerte im Schaltplan überprüfen
.dat-Datei wird nicht erzeugt Simulation nicht ausgeführt, Zugriffsproblem auf Speicherort Schreibrechte des Projektordners prüfen, Simulation erneut starten
Kontextmenü „Export to SnP“ fehlt .dat-Datei nicht ausgewählt Im Reiter „Content“ unter „Datasets“ die .dat-Datei mit Rechtsklick auswählen
Frequenzbereich unvollständig Simulationsfrequenzbereich zu eng Einstellungen der s-parameter simulation anpassen und erneut simulieren

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