VSWR-Analyse mit uSimmics (ehemals QucsStudio) – Einsteigerleitfaden [2026]

Simulation_
2024.11.02

Was Sie lernen werden

  • Definition und Berechnungsformel des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
  • Zusammenhang zwischen Rückflussdämpfung (Return Loss) und VSWR
  • Import von S-Parameterdateien in uSimmics (ehemals QucsStudio)
  • Umwandlung eines Rückflussdämpfungsdiagramms in ein VSWR-Diagramm
  • Bewertungskriterien für VSWR-Werte bei der Antennenentwicklung

Was ist VSWR?

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, Spannungs-Stehwellenverhältnis) ist ein Maß für das Ausmaß stehender Wellen auf einer Übertragungsleitung. Wenn ein HF-Signal an einer Impedanzfehlanpassung teilweise reflektiert wird, überlagern sich hin- und rücklaufende Welle zu einer stehenden Welle. Der VSWR-Wert ist das Verhältnis von Maximum zu Minimum der Spannungsamplitude dieser stehenden Welle.

$$
VSWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 – |\Gamma|}
$$

Dabei ist Γ (Gamma) der Reflexionskoeffizient. Je kleiner sein Betrag, desto besser die Impedanzanpassung.

VSWR Zustand Reflektierte Leistung
1,0 Perfekte Anpassung (ideal) 0 %
1,5 Gut (typisches Antennenziel) ca. 4 %
2,0 Noch akzeptable Untergrenze ca. 11 %
≥ 3,0 Schlechte Anpassung ≥ ca. 25 %

Der ideale VSWR-Wert ist 1, was vollständige Impedanzanpassung bedeutet. Für Antennenanwendungen wird typischerweise VSWR ≤ 1,5 angestrebt.

Messung des VSWR

Zur VSWR-Messung wird ein Richtkoppler (Directional Coupler) eingesetzt, der hin- und rücklaufende Welle trennt. In der Praxis werden verwendet:

  • VSWR-Meter: Dediziertes Messgerät, wird zusammen mit Sender und Empfänger eingesetzt.
  • Netzwerkanalysator (VNA): Misst S-Parameter präzise und berechnet den VSWR automatisch.

Zusammenhang zwischen VSWR und Rückflussdämpfung

Die Rückflussdämpfung (Return Loss) ist eng mit dem VSWR verwandt. Sie gibt das Verhältnis der reflektierten zur eingespeisten Leistung in Dezibel an:

$$
\text{Return Loss [dB]} = -20 \log_{10} |\Gamma|
$$

Entsprechungstabelle:

Rückflussdämpfung VSWR Reflektierte Leistung
−20 dB 1,22 1 %
−14 dB 1,50 4 %
−10 dB 1,92 10 %
−6 dB 3,01 25 %

Eine größere Rückflussdämpfung (größerer negativer Wert) bedeutet geringere Reflexion und bessere Anpassung. uSimmics (ehemals QucsStudio) unterstützt beide Darstellungsformen – der Wechsel ist per Mausklick möglich.

Bedeutung des VSWR

Ein guter VSWR-Wert nahe 1 bedeutet, dass nahezu die gesamte Ausgangsleistung an die Antenne übertragen wird. Ein hoher VSWR führt zu:

  • Verminderter Leistungsübertragung zur Antenne
  • Möglicher Beschädigung des Senderverstärkers durch reflektierte Leistung (kritisch in HF-Designs)
  • Verschlechterung der Empfangsempfindlichkeit und Reduzierung der Reichweite

VSWR-Diagramm in uSimmics (ehemals QucsStudio) erstellen

Im folgenden Beispiel wird das VSWR-Diagramm eines Chip-Antennas aus S-Parameterdaten erzeugt. Verwendet wird das Chip-Antenna „2450AT07A0100001T“ von JOHANSON Technology (S-Parameterdaten auf der Hersteller-Website verfügbar).

Schritt 1: Projekt anlegen

  1. uSimmics (ehemals QucsStudio) starten.
  2. „File“ → „New Project“ aufrufen und ein neues Projekt erstellen.
  3. Projektname festlegen und speichern.

Schritt 2: S-Parameterdatei importieren

  1. Im Bereich „Components“ → „system components“ das Element „s-parameter file“ auswählen.
  2. Das Element im Schaltplan platzieren.
  3. Doppelklick zum Öffnen des Eigenschaftsfensters.
  4. „Ports“ auf „1″ setzen (1-Tor-Antenne).
  5. Unter „File“ die heruntergeladene S-Parameterdatei (.s1p) auswählen.

Schritt 3: Simulation ausführen

  1. Aus dem Reiter „simulations“ eine „S-Parameter Simulation“ im Schaltplan platzieren.
  2. Frequenzbereich einstellen (Beispiel: 1 GHz bis 4 GHz).
  3. Simulation starten.

Schritt 4: Rückflussdämpfungsdiagramm erstellen

  1. Im Menü „Insert“ → „Diagram“ → „Cartesian Diagram“ hinzufügen.
  2. Doppelklick auf das Diagramm zur Konfiguration.
  3. Im Reiter „Data“ dB(S[1,1]) auswählen und zum Diagramm hinzufügen.
  4. Mit „OK“ bestätigen – das Rückflussdämpfungsdiagramm wird angezeigt.

Hinweis: Nach der Simulation kann das Diagramm auch automatisch erstellt werden.

Schritt 5: Umwandlung in VSWR-Diagramm

Im Rückflussdämpfungsdiagramm lässt sich zwar erkennen, dass im 2,4–2,5-GHz-Bereich wenig Reflexion auftritt – die visuelle Beurteilung ist jedoch nicht immer intuitiv. Mit folgenden Schritten wird das VSWR-Diagramm erzeugt:

  1. Doppelklick auf das Diagramm.
  2. dB(S[1,1]) markieren.
  3. Den Diagrammnamen in vswr(S[1,1]) ändern.
  4. Mit „OK“ bestätigen – das VSWR-Diagramm wird angezeigt.

Das VSWR-Diagramm lässt Resonanzfrequenz und Resonanzbandbreite der Antenne intuitiver erkennen als das Rückflussdämpfungsdiagramm.

Ergebnisse ablesen

Im VSWR-Diagramm markieren die Frequenzbereiche mit VSWR nahe 1 die nutzbaren Antennenbandbreiten. Bei der 2450AT07A0100001T zeigt sich im 2,4–2,5-GHz-Bereich ein niedriger VSWR-Wert – die Antenne ist gut für Bluetooth- und WLAN-Anwendungen im 2,4-GHz-Band geeignet.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden VSWR-Grundlagen, Berechnung, Zusammenhang mit der Rückflussdämpfung sowie die vollständige Vorgehensweise zur VSWR-Visualisierung aus Chip-Antenna-S-Parametern in uSimmics (ehemals QucsStudio) vorgestellt. VSWR ist ein unverzichtbares Bewertungswerkzeug für Impedanzanpassung und Systemleistungsoptimierung. uSimmics (ehemals QucsStudio) ermöglicht den schnellen Wechsel zwischen Rückflussdämpfungs- und VSWR-Darstellung für eine effiziente Entwurfsbewertung.

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