Was Sie lernen werden
- Warum Tiefpassfilter in Sub-GHz-Kommunikationssystemen erforderlich sind (Oberwellenunterdrückung)
- Erstellung eines Filtererstentwurfs mit dem Filter-Synthesis-Tool in uSimmics (ehemals QucsStudio)
- Überführung idealer Bauteilwerte in handelsübliche Standardwerte und Leistungsüberprüfung
- Monte-Carlo-Analyse zur Bewertung des Toleranzeinflusses auf die Filtereigenschaften
- Abwägung zwischen Toleranzklasse, Filterleistung und Bauteilkosten
Schritt 1: Spezifikationsziele festlegen
Warum ist ein Tiefpassfilter erforderlich?
Zur Überbrückung größerer Entfernungen wird das Sendesignal mit einem Verstärker amplitudiert. Um die Energieeffizienz zu maximieren, wird der Verstärker nahe seiner Sättigungsgrenze betrieben – dabei entstehen zwangsläufig Verzerrungen und Oberwellen bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz. Diese Oberwellen können andere Funksysteme stören und müssen gemäß den nationalen Frequenzvorschriften auf vorgeschriebene Grenzwerte begrenzt werden.
Ein Tiefpassfilter lässt die Nutzfrequenz passieren, während er die Oberwellen dämpft.
Entwurfsziele
Als Referenz dient das integrierte TDK-Tiefpassfilter „DEA100915LT-6319A1″. Die folgenden Leistungsdaten werden angestrebt:
| Parameter | Zielwert | Frequenzbereich |
|---|---|---|
| Einfügedämpfung | ≤ 0,5 dB | 824–915 MHz |
| Sperrdämpfung | ≥ 18 dB | 1648–1830 MHz |
Schritt 2: Erstentwurf mit dem Filter-Synthesis-Tool
uSimmics (ehemals QucsStudio) enthält das „Filter Synthesis“-Werkzeug zur automatischen Generierung von Filterschaltungen. Damit wird der Erstentwurf entsprechend den Zielspezifikationen erstellt.
Referenz: Filter-Synthesis-Anleitung
Konfiguration des Filter-Synthesis-Tools
Es wird ein Butterworth-Tiefpassfilter (maximale Flachheit im Durchlassbereich) mit folgenden Einstellungen entworfen:
- Filtertyp: Butterworth-Tiefpass (minimalster Rippel im Durchlassbereich)
- Ordnung: 6
- Grenzfrequenz: 1,1 GHz
Die vom Filter-Synthesis-Tool berechneten L- und C-Werte lauten:
| Bauteil | Berechneter Wert |
|---|---|
| L1 | 10,23 nH |
| L2 | 13,94 nH |
| L3 | 3,745 nH |
| C1 | 1,498 pF |
| C2 | 5,59 pF |
| C3 | 4,092 pF |
Die Simulation des generierten Filters bestätigt, dass die Zielspezifikationen erfüllt werden.
Schritt 3: Umstellung auf handelsübliche Bauteilwerte
Die Berechnungswerte werden auf die nächstliegenden Standardwerte handelsüblicher Induktivitäten und Kondensatoren gerundet und die Simulation erneut durchgeführt.
| Bauteil | Berechneter Wert | Verwendeter Wert |
|---|---|---|
| L1 | 10,23 nH | 10 nH |
| L2 | 13,94 nH | 14 nH |
| L3 | 3,745 nH | 3,7 nH |
| C1 | 1,498 pF | 1,5 pF |
| C2 | 5,59 pF | 5,6 pF |
| C3 | 4,092 pF | 4,1 pF |
Auch nach der Rundung auf Standardwerte erfüllt das Simulationsergebnis die Zielspezifikationen.
Schritt 4: Monte-Carlo-Toleranzanalyse
Reale Kondensatoren und Induktivitäten weisen fertigungsbedingte Streuungen auf. Um deren Einfluss auf die Filtereigenschaften zu bewerten, wird eine Monte-Carlo-Analyse durchgeführt.
Referenz: Monte-Carlo-Analyse – Anleitung
Analysebedingungen
Üblicherweise sind Kondensatoren und Induktivitäten in verschiedenen Toleranzklassen erhältlich. Da engere Toleranzen höhere Bauteilkosten bedeuten, sollte die breiteste noch akzeptable Toleranzklasse gewählt werden.
Zunächst wird die Analyse mit der weitesten Toleranz durchgeführt:
| Bauteil | Wert | Toleranz |
|---|---|---|
| L1 | 10 nH | ±5 % |
| L2 | 14 nH | ±5 % |
| L3 | 3,7 nH | ±0,2 nH |
| C1 | 1,5 pF | ±0,25 pF |
| C2 | 5,6 pF | ±0,25 pF |
| C3 | 4,1 pF | ±0,25 pF |
Für die Bauteilstreuung wird eine Normalverteilung angenommen. Der Worst Case entspricht 4σ. Bei 10 nH und 4σ = 5 % ergibt sich σ = 1,25 %.
Ergebnisse (weite Toleranz)
| Messpunkt | Typischer Wert | Worst Case |
|---|---|---|
| Einfügedämpfung (915 MHz) | −0,481 dB | −0,695 dB |
| Sperrdämpfung (1650 MHz) | −20,9 dB | −19,9 dB |
Selbst im Worst Case werden die Zielspezifikationen (Einfügedämpfung ≤ 0,5 dB, Sperrdämpfung ≥ 18 dB) eingehalten.
Vergleich mit engerer Toleranz
Wenn die Streuung zu groß ist, können engere Toleranzklassen gewählt werden – beispielsweise ±3 % für Induktivitäten und ±0,1 pF für Kondensatoren. In der Praxis ist stets der Kompromiss zwischen Spezifikationserfüllung und Bauteilkosten zu berücksichtigen.
Vergleich mit dem Referenzbauteil
Das simulierte Filter kann direkt mit den S-Parametern des Referenzbauteils DEA100915LT-6319A1 verglichen werden:
- Rot: Simuliertes Filter
- Blau: Messwerte des DEA100915LT-6319A1
Dieser Vergleich erlaubt eine quantitative Bewertung der Entwurfsqualität und zeigt vorhandene Optimierungspotenziale auf.
Zusammenfassung
Der Entwurfsablauf in uSimmics (ehemals QucsStudio) – automatischer Erstentwurf mit Filter Synthesis, Überführung in Standardbauteilwerte und statistische Toleranzanalyse mit Monte Carlo – ermöglicht eine effiziente und fundierte Tiefpassfilterentwicklung für Sub-GHz-Anwendungen. Die leistungsstarken Simulations- und Analysefunktionen von uSimmics (ehemals QucsStudio) sind dabei ein unverzichtbares Werkzeug.
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- VSWR-Analyse mit uSimmics (ehemals QucsStudio) [2026]
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