Im vorherigen Beitrag haben wir den Entwurf und die Simulation eines LPF (Low-Pass-Filter) für die Sub-GHz-Bandkommunikation (915 MHz) in QucsStudio unter Verwendung idealer Kondensatoren und Induktivitäten durchgeführt. In diesem Folgebeitrag verwenden wir echte Komponenten von Murata, um eine realitätsnähere Simulation durchzuführen und die Ergebnisse mit denen idealer Bauteile zu vergleichen.
Auswahl der realen Bauteile
Die in QucsStudio verfügbaren Kondensatoren und Induktivitäten unter „lumped components“ sind idealisierte Bauteile. Bei realen Bauteilen führen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten zu Unterschieden im Verhalten.
Daher verwenden wir diesmal die S-Parameter echter Komponenten von Murata, um eine Simulation näher an der Realität durchzuführen.
Wir haben die Chipkondensatoren der GRM03-Serie und die Chipinduktivitäten der LQP03TG-Serie ausgewählt. Diese Bauteile sind weit verbreitet und eignen sich für das Design gängiger Kommunikationsgeräte.
Die S-Parameter sind auf der Website von Murata verfügbar.
Im QucsStudio-Schaltplan erstellen wir Filter mit idealen Bauteilen sowie Filter mit den S-Parametern der echten Bauteile. Folgende Bauteile werden verwendet:
- GRM0332C15R6BA01 (5,6 pF)
- GRM0332C14R1BA01 (4,1 pF)
- GRM0334C11R5BA01 (1,5 pF)
- LQP03TG15NJ02 (15 nH)
- LQP03TG10NJ02 (10 nH)
- LQP03TG3N7B02 (3,7 nH)
Erste Simulationsergebnisse
Die folgende Grafik zeigt die S21-Simulationsergebnisse: Rot – ideale Bauteile, Blau – reale Bauteile.
Auf den ersten Blick scheint die Dämpfung bei den realen Bauteilen höher zu sein, was eine bessere Leistung suggeriert. Betrachtet man jedoch den Durchlassbereich und das zweite Oberwellenband genauer, stellt man fest, dass der Durchlassbereich der realen Bauteile stark gedämpft ist. Diese Verluste entstehen durch parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten, die in echten Bauteilen vorhanden sind.
In der Simulation mit der GRM03- und LQP03TG-Serie zeigte sich eine Abweichung von etwa 2 dB im Vergleich zu den idealen Bauteilen, was sich in realen Anwendungen auf die Leistung auswirken könnte.
Optimierung der Bauteile und erneute Simulation
Nun ersetzen wir die Bauteile durch die GJM03-Serie und die LPQHQ03-Serie, die auf geringere Verluste optimiert sind. Diese Bauteile sind für weniger parasitäre Effekte ausgelegt und versprechen bessere Leistungseigenschaften.
Folgende Bauteile wurden verwendet:
- GJM0335C1E5R6BB01 (5,6 pF)
- GJM0335C1E4R1BB01 (4,1 pF)
- GJM0335C1E1R5BB01 (1,5 pF)
- LQP03HQ15NH02 (15 nH)
- LQP03HQ10NH02 (10 nH)
- LQP03HQ3N7B02 (3,7 nH)
Das Ergebnis der Simulation zeigt, dass die Eigenschaften der idealen Bauteile nun besser angenähert werden.
Um die Abweichung von 2 dB zu verbessern, wurden die Kondensatoren der GJM03-Serie und die Induktivitäten der LQP03HQ-Serie mit geringem Verlustcharakter ausgewählt und erneut simuliert. Durch diese Anpassung wurde die Abweichung auf etwa 1 dB reduziert.
Analyse und Überlegungen
Dieses Ergebnis zeigt die Bedeutung der richtigen Bauteilauswahl in Bezug auf die geforderte Leistung. Die Leistungsabweichungen, die bei der Simulation mit idealen Bauteilen nicht sichtbar waren, konnten durch die Verwendung von S-Parametern realer Bauteile aufgedeckt werden. So lässt sich die Leistung durch eine optimale Bauteilauswahl verbessern.
Fazit
Die Simulation mit den S-Parametern realer Bauteile in QucsStudio ist ein äußerst effektives Verfahren im Entwicklungsprozess. Besonders bei der Optimierung feiner Leistungseigenschaften können durch den Wechsel der Bauteile und wiederholte Überprüfung die gewünschten Leistungen erreicht werden. Dieser Prozess ermöglicht es, ein Filterdesign zu erstellen, das der Realität näherkommt.
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