LPF-Optimierung mit realen Bauteil-S-Parametern in uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]

Was Sie lernen werden

• Ursachen der Leistungsabweichung zwischen idealen und realen Bauteilen (Parasitärkomponenten)
• Import der Murata-S-Parameterdaten in uSimmics (ehemals QucsStudio)
• Simulationsergebnisse mit Standardbauteilen (GRM03, LQP03TG) und deren Schwächen
• Leistungsverbesserung durch Wechsel auf verlustarme Bauteile (GJM03, LQP03HQ)
• Quantitative Bewertung des Bauteiloptimierungseffekts auf die Filtereigenschaften

Ausgangssituation: Abweichung von der Idealsimulation

Im vorangegangenen Artikel wurde ein Tiefpassfilter für den Sub-GHz-Bereich (915 MHz) mit idealen Kondensatoren und Induktivitäten in uSimmics (ehemals QucsStudio) entworfen und simuliert. Dieser Artikel setzt diese Arbeit fort: Es werden reale Murata-Bauteile verwendet, um eine praxisnähere Simulation durchzuführen und die Abweichungen von der Idealsimulation zu analysieren.

Referenz: Tiefpassfilter-Design mit uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]

Warum reale Bauteile im Simulator verwenden?

Die in uSimmics (ehemals QucsStudio) als konzentrierte Schaltelemente (lumped components) verfügbaren Kondensatoren und Induktivitäten sind ideale Modelle. Reale Bauteile weisen jedoch immer Parasitärkomponenten auf:

• Parasitäre Induktivität (ESL): In den Elektroden und Anschlusspads von Chip-Kondensatoren vorhandene Induktivität
• Parasitäre Kapazität: Kapazität zwischen den Windungen von Chip-Induktivitäten
• Gleichstromwiderstand (DCR): Widerstand der Wicklung einer Induktivität, der Einfügungsverluste verursacht

Diese Parasitärkomponenten machen sich besonders im GHz-Bereich bemerkbar: Sie erhöhen die Einfügedämpfung im Durchlassbereich und verändern das Sperrdämpfungsverhalten.

Verwendete Bauteile und S-Parameter-Beschaffung

In dieser Simulation werden Murata-Chip-Kondensatoren der „GRM03-Serie“ und Chip-Induktivitäten der „LQP03TG-Serie“ verwendet – beides weit verbreitete Standardbauteile in der Kommunikationselektronik.

S-Parameter-Beschaffung:
Die S-Parameterdaten (Touchstone-Format, .s2p) der einzelnen Bauteile können von der offiziellen Murata-Website (SimSurfing) heruntergeladen werden.

Verwendete Bauteile (Standardausführung)

Vorgehensweise: S-Parameter-Bauteile im Schaltplan platzieren

In uSimmics (ehemals QucsStudio) werden zwei Filterversionen parallel simuliert: eine mit idealen Bauteilen und eine mit realen S-Parametern der Murata-Bauteile.

1. uSimmics (ehemals QucsStudio) starten und die LPF-Schaltung aus dem vorangegangenen Artikel öffnen.
2. Im Bereich „Components“ → „system components“ das Element „s-parameter file“ auswählen.
3. Das s-parameter-file-Element im Schaltplan platzieren und doppelklicken.
4. „Ports“ auf „2″ setzen.
5. Unter „File“ die heruntergeladene .s2p-Datei von Murata auswählen.
6. Für jedes Bauteil (C1, C2, C3, L1, L2, L3) diese Schritte wiederholen.
7. Das reale Filtermodell verdrahten und parallel zum idealen Filter eine S-Parameter-Simulation konfigurieren.

Erstsimulation (Standardausführung)

S21-Vergleich zwischen idealem Filter (rot) und realem Filter mit Standardbauteilen (blau):

• Rot: Filter mit idealen Bauteilen
• Blau: Filter mit Standardbauteilen (GRM03 / LQP03TG)

Auf den ersten Blick scheinen die realen Bauteile im oberen Frequenzbereich eine stärkere Dämpfung zu zeigen – ein genauerer Blick auf den Durchlassbereich (824–915 MHz) zeigt jedoch eine deutlich erhöhte Einfügedämpfung.

Ursachenanalyse der Leistungsabweichung

Die Simulation mit GRM03-Kondensatoren und LQP03TG-Induktivitäten ergibt im Vergleich zu idealen Bauteilen eine Einfügedämpfungsabweichung von etwa 2 dB. Hauptursachen:

• Erhöhte Verluste bei hohen Frequenzen durch den äquivalenten Serieninduktivität (ESL) der Kondensatoren
• Verluste durch Gleichstromwiderstand (DCR) und Wicklungskapazität der Induktivitäten
• Verluste durch den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) der Kondensatoren

Diese Abweichung von ca. 2 dB kann in realen Anwendungen dazu führen, dass die Durchlassbereichsspezifikation nicht eingehalten wird.

Optimierung: Wechsel auf verlustarme Bauteile

Zur Verbesserung der Einfügedämpfung im Durchlassbereich werden verlustarme Bauteilausführungen gewählt:

• Kondensatoren: GRM03-Serie → GJM03-Serie (reduzierter DCR und ESR)
• Induktivitäten: LQP03TG-Serie → LQP03HQ-Serie (höherer Gütefaktor Q, geringere Verluste)

Verwendete Bauteile (verlustarme Ausführung)

Ergebnis der Simulation mit verlustarmen Bauteilen

Nach dem Wechsel auf GJM03-Kondensatoren und LQP03HQ-Induktivitäten nähert sich das Simulationsergebnis deutlich den idealen Bauteileigenschaften an.

Durch den Wechsel auf verlustarme Bauteile konnte die Abweichung auf etwa 1 dB reduziert werden.

Analyse und Schlussfolgerung

Dieses Ergebnis unterstreicht, wie wichtig die Auswahl geeigneter Bauteilausführungen in Abhängigkeit von den Anforderungen ist. Abweichungen, die in der Idealsimulation nicht sichtbar sind, lassen sich mit realen S-Parametern im Simulator frühzeitig aufdecken.

Vorteile der realen Bauteilsimulation im Entwurfsprozess:
– Präzise Leistungsvorhersage vor der Serienfertigung
– Quantifizierung des Leistungsunterschieds zwischen verschiedenen Bauteilausführungen
– Bewertung des Kosten-Leistungs-Kompromisses bereits in der Entwurfsphase

Zusammenfassung

Die Simulation mit realen Bauteil-S-Parametern in uSimmics (ehemals QucsStudio) ist ein wertvoller Schritt im Entwurfsprozess. Besonders bei anspruchsvollen Hochfrequenzfiltern mit engen Leistungstoleranzen ist die schrittweise Optimierung der Bauteilauswahl der Schlüssel zur Zielerreichung. Die Kombination aus Ideal- und Realbauteilsimulation ist entscheidend für einen zuverlässigen Filterentwurf.

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