本文要点
- 理想元器件与实际元器件性能差异的原因（寄生电感、寄生电容）
- 将村田制作所S参数数据导入uSimmics（原QucsStudio）的操作步骤
- 使用标准等级元器件（GRM03、LQP03TG）的仿真结果与问题分析
- 替换为低损耗等级元器件（GJM03、LQP03HQ）的性能改善效果
- 定量评估元器件选型对滤波器特性影响的方法
前提：与理想元器件仿真的差异
前一篇文章中，我们在uSimmics（原QucsStudio）中使用理想电容和电感设计并仿真了Sub-GHz频段（915MHz）通信用LPF。本文作为续篇，使用村田制作所的实际元器件进行更接近现实的仿真，并与理想元器件进行比较。
参考：uSimmics（原QucsStudio）LPF设计指南【2026年版】
为什么要使用实际元器件
uSimmics（原QucsStudio）中可调用的lumped components（集总参数元件）是理想元器件。实际元器件包含以下寄生成分，因此特性与理想元器件不同：
- 寄生电感（Parasitic Inductance）：贴片电容电极和引脚部分存在的电感成分
- 寄生电容（Parasitic Capacitance）：贴片电感绕线间存在的电容成分
- 直流电阻（DCR）：电感绕线电阻导致的插入损耗
这些寄生成分在高频域（GHz频段）尤为明显，表现为通带内插入损耗增加和衰减特性变化。
使用元器件与S参数获取
本次仿真使用村田制作所的贴片电容”GRM03系列”和贴片电感”LQP03TG系列”，这些是通信设备设计中广泛采用的标准元器件。
S参数获取方法：
可从村田制作所官方网站（SimSurfing）下载各元器件的S参数数据（Touchstone格式，.s2p）。
使用元器件清单（标准等级）
| 元器件编号 | 类型 | 值 |
|---|---|---|
| GRM0332C15R6BA01 | 贴片电容 | 5.6 pF |
| GRM0332C14R1BA01 | 贴片电容 | 4.1 pF |
| GRM0334C11R5BA01 | 贴片电容 | 1.5 pF |
| LQP03TG15NJ02 | 贴片电感 | 15 nH |
| LQP03TG10NJ02 | 贴片电感 | 10 nH |
| LQP03TG3N7B02 | 贴片电感 | 3.7 nH |
操作步骤：在电路图中放置S参数元器件
在uSimmics（原QucsStudio）的电路图上，将理想元器件构成的滤波器与实际元器件S参数构成的滤波器并列放置，进行对比仿真。
- 启动uSimmics（原QucsStudio），打开前文设计的LPF电路图
- 从”Components”面板的”system components”中选择”s-parameter file”
- 在电路图上放置s-parameter file组件，双击打开属性窗口
- 将”Ports”数量设置为”2″
- 在”File”属性中选择从村田制作所下载的.s2p文件
- 对每个元器件（C1、C2、C3、L1、L2、L3）重复相同步骤
- 用导线连接实际元器件版滤波器，与理想元器件版并列设置S参数仿真
初次仿真结果（标准等级）
比较使用GRM03系列和LQP03TG系列仿真结果的S21：
- 红色：使用理想元器件的LPF
- 蓝色：使用实际元器件（标准等级）的LPF
乍看之下实际元器件在高频域衰减更大，似乎特性更好，但仔细查看通带（824～915 MHz），实际元器件的插入损耗显著增加。
性能差异原因分析
使用GRM03系列和LQP03TG系列的仿真结果显示，与理想元器件相比插入损耗约有 2 dB 的偏差。主要原因如下：
- 电容的等效串联电感（ESL）导致高频损耗增加
- 电感的直流电阻（DCR）和绕线间电容导致的损耗
- 电容的等效串联电阻（ESR）导致的损耗
约2 dB的偏差足以影响实际应用中通带性能规格。
元器件优化：替换为低损耗等级
为改善通带插入损耗，替换为损耗更低的元器件等级：
- 电容：GRM03系列 → GJM03系列（直流电阻和ESR降低）
- 电感：LQP03TG系列 → LQP03HQ系列（Q值更高，低损耗）
使用元器件清单（低损耗等级）
| 元器件编号 | 类型 | 值 |
|---|---|---|
| GJM0335C1E5R6BB01 | 贴片电容（低损耗） | 5.6 pF |
| GJM0335C1E4R1BB01 | 贴片电容（低损耗） | 4.1 pF |
| GJM0335C1E1R5BB01 | 贴片电容（低损耗） | 1.5 pF |
| LQP03HQ15NH02 | 贴片电感（高Q） | 15 nH |
| LQP03HQ10NH02 | 贴片电感（高Q） | 10 nH |
| LQP03HQ3N7B02 | 贴片电感（高Q） | 3.7 nH |
重新仿真结果（低损耗等级）
更换为GJM03系列和LQP03HQ系列后重新仿真，获得了接近理想元器件的特性：
| 比较项目 | 标准等级 | 低损耗等级 |
|---|---|---|
| 与理想元器件的偏差（插入损耗） | 约 2 dB | 约 1 dB |
| 通带特性 | 存在不满足规格的风险 | 满足规格 |
替换为低损耗等级后，偏差改善至约 1 dB。
分析与考察
此结果表明，根据所需性能规格合理选择元器件等级至关重要。仅靠理想元器件仿真无法发现的性能偏差，通过使用实际元器件S参数的仿真可以清晰揭示。
将实际元器件仿真纳入设计流程的优势：
– 量产前高精度预测实际性能
– 量化不同元器件等级间的性能差异
– 在设计阶段评估成本与性能的权衡
总结
在uSimmics（原QucsStudio）中使用实际元器件S参数进行仿真，在设计过程中非常有效。特别是在需要精细性能优化的高频滤波器设计中，通过不断更换元器件等级进行验证，可以可靠地达成目标性能。理想元器件仿真与实际元器件仿真相结合，是实现高精度滤波器设计的关键。
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