Anleitung: Filter Synthesis in uSimmics (ehemals QucsStudio) – LC-Filter automatisch entwerfen [2026]

Werkzeug
2024.11.02

Mit der Filter-Synthesis-Funktion in uSimmics (ehemals QucsStudio) lassen sich LC-Filterschaltungen ohne manuelle Berechnungen automatisch generieren. Dieser Artikel beschreibt am Beispiel eines Tiefpassfilters den kompletten Ablauf von der Parametereinstellung über die Schaltplangenerierung bis hin zur Simulationsauswertung.

Was Sie lernen werden

  • Start der Filter-Synthesis-Funktion und Bedeutung der einzelnen Parameter
  • Charakteristika von Butterworth, Chebyshev, Bessel und weiteren Filtertypen sowie deren Auswahlkriterien
  • Methode zum Einfügen des generierten Schaltplans in uSimmics (ehemals QucsStudio)
  • Simulation und Überprüfung der Filtereigenschaften
  • Nächste Schritte zur Optimierung mit realen Bauteilen

Was ist Filter Synthesis?

Filter Synthesis ist ein integriertes Filterkalkulations­werkzeug in uSimmics (ehemals QucsStudio). Durch Angabe von Filterordnung, Grenzfrequenz, Impedanz und Topologie berechnet das Tool die Elementwerte eines LC-Leitungsfilters automatisch und exportiert das Ergebnis als Schaltplandaten.

Manuelle Filtersynthese erfordert aufwändige Polynomberechnungen – dieses Tool reduziert den Konstruktionsaufwand erheblich.

Schritt 1: Filter Synthesis öffnen

  1. Starten Sie uSimmics (ehemals QucsStudio).
  2. Klicken Sie in der Menüleiste auf „Tools“.
  3. Wählen Sie im Untermenü „Filter Synthesis“.
  4. Das Fenster „Filter Synthesis“ öffnet sich.

Schritt 2: Filterparameter einstellen

Im Fenster „Filter Synthesis“ stellen Sie folgende Parameter ein:

Parameter Beispielwert Erläuterung
Realization LC ladder Schaltungsrealisierung – LC-Leitungsfilter.
Filter type Butterworth Approximationstyp (siehe unten).
Filter Class Low pass Filtertyp: Tiefpass / Hochpass / Bandpass / Bandsperre.
Order (Ordnung) 3 Filterordnung – höhere Ordnung = steilere Flanke, aber mehr Elemente.
Corner Frequency 50 MHz Grenzfrequenz (–3-dB-Punkt).
Impedance 50 Ω Referenzimpedanz an Ein- und Ausgang.
Topology pi type Schaltungstopologie (π-Typ oder T-Typ).

Schritt 3: Schaltplan generieren und in Zwischenablage kopieren

Klicken Sie auf „Calculate and into Clipboard“. Dadurch werden:

  • Die Elementwerte anhand der eingestellten Parameter berechnet.
  • Die Schaltplandaten in die Zwischenablage kopiert.

Schritt 4: Schaltplan einfügen

  1. Öffnen Sie im Hauptfenster von uSimmics (ehemals QucsStudio) einen neuen oder vorhandenen Schaltplan.
  2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste im Schaltplan-Editor und wählen Sie „Einfügen“ oder drücken Sie Strg + V.
  3. Der Filterschaltplan wird in den Schaltplan eingefügt.

Schritt 5: Simulation ausführen

  1. Platzieren Sie eine S-Parameter-Simulation im Schaltplan.
  2. Wählen Sie im Menü „Simulate“.
  3. Falls ein Speicherdialog erscheint, wählen Sie Ordner und Dateinamen.
  4. Die Simulation wird ausgeführt, das Ergebnisfenster öffnet sich.

Schritt 6: Ergebnisse auswerten

Nach der Simulation prüfen Sie:

  • S21 (Vorwärts-Transmission): Ebenheit im Durchlassbereich, ausreichende Dämpfung im Sperrbereich.
  • S11 (Eingangsreflexion): Anpassungsgüte im Durchlassbereich; Smith-Diagramm-Darstellung empfohlen.
  • Grenzfrequenz: Setzen Sie einen Marker und lesen Sie den tatsächlichen –3-dB-Punkt ab.

Filtertypen im Überblick

Butterworth

  • Merkmale: Maximally-flat-Charakteristik im Durchlassbereich (kein Ripple), monoton abfallende Sperrdämpfung.
  • Anwendung: Wenn eine glatte Frequenzcharakteristik ohne Ripple erforderlich ist. Universalfilter.

Chebyshev

  • Merkmale: Ripple im Durchlassbereich, dafür steilere Flanke als Butterworth gleicher Ordnung.
  • Anwendung: Wenn steile Flankensteilheit Priorität hat und Durchlass-Ripple tolerierbar ist.

Inverse Chebyshev

  • Merkmale: Flacher Durchlassbereich, Ripple im Sperrbereich.
  • Anwendung: Wenn ein flacher Durchlassbereich bei gleichzeitig steiler Flanke benötigt wird.

Cauer (Elliptisch)

  • Merkmale: Ripple sowohl im Durchlass- als auch im Sperrbereich. Steilste Flanke unter allen Typen gleicher Ordnung.
  • Anwendung: Wenn maximale Flankensteilheit erforderlich ist und Ripple in beiden Bändern akzeptiert wird.

Bessel

  • Merkmale: Maximally flat group delay – minimale Phasenverzerrung im Durchlassbereich.
  • Anwendung: Für Impuls- und Digitalsignale, bei denen Wellenformtreue wichtig ist.

Legendre

  • Merkmale: Steilere Flanke als Butterworth, flacher Durchlassbereich. Leichter Ripple möglich.
  • Anwendung: Als Kompromiss zwischen Butterworth und Chebyshev.

Auswahltabelle Filtertypen

Priorität Empfohlener Typ
Flacher Durchlassbereich (kein Ripple) Butterworth / Inverse Chebyshev
Steile Flanke Chebyshev / Cauer
Minimale Gruppenlaufzeit­variation Bessel
Steilste Flanke (Ripple akzeptiert) Cauer (elliptisch)

Zusammenfassung

Die Filter-Synthesis-Funktion in uSimmics (ehemals QucsStudio) beschleunigt den Filterentwurf erheblich. Mit wenigen Parametereingaben wird ein filterspezifischer Schaltplan automatisch generiert, der unmittelbar simuliert und anschließend mit realen Bauteilen optimiert werden kann. Nutzen Sie dieses Tool als Ausgangspunkt für Ihren HF-Filterentwurf.

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