Anleitung: Create Matching Circuit in uSimmics (ehemals QucsStudio) – Impedanzanpassung automatisch entwerfen [2026]

Werkzeug
2024.11.02

Mit der Funktion „Create Matching Circuit“ in uSimmics (ehemals QucsStudio) lassen sich Impedanzanpassnetzwerke automatisch berechnen. Dieser Artikel erklärt am Beispiel einer 50-Ω-auf-25-Ω-Anpassung den gesamten Ablauf – von der Schaltungsgenerierung über die S-Parameter-Simulation bis zum interaktiven Parameter-Tuning.

Was Sie lernen werden

  • Grundkonzept der Impedanzanpassung und deren Notwendigkeit
  • Start und Konfiguration der Funktion „Create Matching Circuit“
  • Einfügen des automatisch generierten LC-Anpassnetzwerks in den Schaltplan
  • Überprüfung der Anpassgüte per S-Parameter-Simulation
  • Interaktive Optimierung mit dem Parameter-Tuning-Fenster

Grundlagen der Impedanzanpassung

Impedanzanpassung (Impedance Matching) bezeichnet das Abstimmen der Impedanzen von Signalquelle, Leitung und Last aufeinander, um maximale Leistungsübertragung und minimale Reflexionsverluste zu erzielen. In HF- und Mikrowellenschaltungen erzeugt eine Fehlanpassung Signalreflexionen, die zu Leistungsverlust und im Extremfall zur Beschädigung der Sendeverstärker führen können.

Anpassnetzwerke bestehen typischerweise aus Induktivitäten und Kapazitäten (LC-Netzwerke) und realisieren die Impedanztransformation in einem definierten Frequenzbereich.

1. Testschaltung erstellen

Erstellen Sie zunächst eine Schaltung mit Impedanzfehlanpassung:

  1. Starten Sie uSimmics (ehemals QucsStudio).
  2. Platzieren Sie aus „Components“ → „Lumped Components“ einen Widerstand im Schaltplan.
  3. Doppelklicken Sie den Widerstand und ändern Sie den Wert auf 25 Ω.
  4. Platzieren Sie aus „Sources“ → „Power Source“ eine Signalquelle (Ausgangsimpedanz: 50 Ω Standard­vorgabe beibehalten).
  5. Verbinden Sie alle Bauteile mit GND-Symbolen und Drahtverbindungen.

Damit liegt eine Schaltung mit 50-Ω-Quelle und 25-Ω-Last vor – klassische Impedanzfehlanpassung.

2. Anpassnetzwerk mit „Create Matching Circuit“ entwerfen

2-1. Fenster öffnen

  1. Klicken Sie in der Menüleiste auf „Tools“.
  2. Wählen Sie „Matching Circuit“ → „Create Matching Circuit“.
  3. Das Fenster „Create Matching Circuit“ öffnet sich.

2-2. Anpassparameter einstellen

Parameter Wert Erläuterung
Impedance 1 50 Ω Quellseitiger Impedanzwert (Port 1).
Impedance 2 25 Ω Lastseitiger Impedanzwert (Port 2).
Frequency 1 GHz Zielfrequenz für die Anpassung.

2-3. Anpassnetzwerk generieren

Klicken Sie auf „Create“. uSimmics (ehemals QucsStudio) berechnet automatisch ein LC-Anpassnetzwerk und kopiert es in die Zwischenablage.

3. Anpassnetzwerk einfügen und verbinden

  1. Drücken Sie im Schaltplan Strg + V, um das Anpassnetzwerk einzufügen.
  2. Verbinden Sie den Ausgang des Anpassnetzwerks mit der 25-Ω-Last.
  3. Verbinden Sie den Eingang mit der 50-Ω-Quelle.

Automatisch berechnetes Netzwerk (Beispiel: 1 GHz, 50 Ω → 25 Ω):

  • Serielle Induktivität: ca. 40 nH
  • Parallele Kapazität: ca. 32 pF

4. Simulation ausführen

4-1. S-Parameter-Simulation platzieren

  1. Platzieren Sie aus „Simulations“ → „S-parameter Simulation“ eine Simulationskomponente.
  2. Doppelklicken Sie und stellen Sie folgende Parameter ein:
Einstellung Wert
Startfrequenz 50 MHz
Stoppfrequenz 150 MHz
Frequenzschritt 1 MHz

4-2. Simulation starten

Klicken Sie auf das Zahnradsymbol oder wählen Sie im Menü „Simulate“ → „Simulate“.

5. Simulationsergebnisse auswerten

Nach der Simulation werden S-Parameter-Grafiken und ein Smith-Diagramm angezeigt.

5-1. Marker setzen

  1. Rechtsklick auf den Graphen → „Set Marker on Graph“.
  2. Klicken Sie auf die Datenkurve.
  3. Verschieben Sie den Marker auf 100 MHz (Nähe der Zielfrequenz).

5-2. Beurteilungskriterien

Parameter Zielwert Interpretation
S11 (Eingangsreflexion) ≤ −20 dB Geringe Reflexion am Eingang – gute Anpassung.
S21 (Transmission) Nahe 0 dB Effiziente Signalübertragung.

6. Interaktive Optimierung mit dem Tuning-Fenster

6-1. Tuning-Fenster öffnen

  1. Wählen Sie im Menü „Simulation“ → „Tune“.
  2. Klicken Sie nacheinander auf die Induktivität und die Kapazität im Schaltplan.
  3. Das Fenster „Parameter Tuning“ öffnet sich.

6-2. Tuning-Bereich einstellen

Bauteil Minimalwert Maximalwert
Induktivität 1 nH 100 nH
Kapazität 1 pF 100 pF

6-3. Tuning durchführen

  • Verschieben Sie den Schieberegler, um die Bauteilwerte zu variieren.
  • Beobachten Sie die Echtzeit-Aktualisierung von Smith-Diagramm und S11-Kurve.
  • Optimieren Sie, bis S11 minimal ist (Annäherung an Diagrammmitte im Smith-Diagramm).
  • Optimale Werte: ca. 40 nH Induktivität, ca. 32 pF Kapazität – übereinstimmend mit dem automatisch berechneten Ergebnis.

Designhinweise

  • Das von „Create Matching Circuit“ generierte Netzwerk enthält ideale LC-Elemente ohne parasitäre Effekte (Spulen-Eigenkapazität, Kondensatoren-Eigeninduktivität). Im GHz-Bereich sind detaillierte Simulationen mit S-Parametern realer Bauteile erforderlich.
  • Die Anpassbandbreite hängt vom Q-Faktor und der Netzwerkordnung ab. Für breitbandige Anpassung sind mehrstufige Netzwerke zu erwägen.
  • Das Smith-Diagramm stellt komplexe Impedanzen und Reflexionskoeffizienten in einer Kreisdarstellung dar. Der Mittelpunkt entspricht der idealen Anpassung (S11 = 0).

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