Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

近日开始使用Q3D软件。为了验证自己是否操作正确，故特意仿了一段微带线，但是发现其单位电导，单位电感有点差距。

叠层设置如下
! A) O1 M4 n8 x- D  S

1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：

- W5 V8 R$ w3 H& s: D
即SI9000计算的值如下(每inch)：
1 I+ j9 @) U* y9 F8 n4 e6 p% YR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
; `, h# h9 O% R5 O9 @: y

+ Y* A; ]" y. T) `! H: Y, c( A2、Q3D依据同样的叠层建模，走线长度为100mil，在走线的两端分别添加Source和Sink，参考平面设置为地网络
) d& ~$ M7 k8 c4 ~! ^4 M, Z

$ R  h" Y; {6 [% j8 ^& P求解设置（比较高的精度要求）：
收敛：
5 D; U7 w1 K4 g+ e
6 Z# j. O( z, U8 N, Q1 Q
求解的RLGC值：

即Q3D计算的值如下(按每inch换算)：
R= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF

把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch)：
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF

( m- X' y" }( q可以看到L和G差距非常大，想问一下具体是什么原因导致了这么大的差距？是Q3D软件的使用方法问题么？Q3D的模型如附件，软件版本为2014。 Project7.zip (22.29 KB, 下载次数: 14)

2015-11-11 17:07 上传

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+ N+ z/ D" S9 n, u0 Y, C

: f; Y" t& S6 w; \
: F# m# {4 a, Y- t& Z; n  w$ f

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型，以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。

) \1 H& ~. y( |' Z ...

/ P" C! L3 a8 y; I% [. O8 `选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
) p9 a( S& B% S" P  |3 q( x对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。
正确的算self inductance的方式应该是地平面加infinite GND boundary，因为真的参考面只有与正馈相邻的面，参考层的地厚度对微带线几乎无影响。
你如果一定要用singal的方式，那么就要以同样的馈电位置形成端口，然后reduce return或者reduce ground去除到地的互感影响，否则就不是正确微带线的模型。
! z- b$ h8 d! Y7 P, V- v2 j
0 `. L. X' M0 B3 jL matrix是有self和mutual部分的
环路中的loop inductance和self inductance只有在构成信号环路且返回路径为电边界的情况下才相等，因为此时的mutual为0，self就是loop。若不是电边界，视作信号线的话，那么其就存在mutual，self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感。
. x  t5 v( h/ i' T& d你原始工程文件的GND NET方式是没有GND测试点的，所以测出来的就是signal的loop inductance，只不过其AC环路没有包括地而是到无穷远处的电边界，而GND NET只是其中一个静态线，但是其算出来的self inductance是不是等于和地构成的环路的partial inductance，答案是否，你可以删掉GND的copper，你会发现结果和有这个inductance会略增大，但是差异不大，很显然就是去掉了signal到GND net部分的mutual inductance影响。所以你算出来的这个self inductance值，到底是个什么东西，取决于你的激励和边界是不是和真实的信号传输线结构相同。

( s" d6 ]; T! @
7 I# C7 b3 b& K9 K! ~  ]/ S+ P" I6 E

Head4psi

<< 而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance >> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.
9 o6 [$ ?$ \5 u* J! B' o: ^
7 ?& Y9 ~; s/ s均勻傳輸線特性阻抗要與 Polar 比較，請用 Q3D 的 "2D Extractor " 求解。

cousins

这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是一致的，差距估计也就在5%左右。
3 Z0 O$ O* e2 [' r8 i- L; D至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？
9 d4 F( F5 P2 Q1 k  q  `: T4 o) ?
) `7 k4 T& C' K: C

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
1 T/ u8 \) g- j2 A可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...

/ |' E. P3 G7 i6 H9 Z' F多谢版主！还是版主强大。G是我看错单位了，一急就犯晕了。。。见笑了。
$ w' l5 _9 c9 \$ w& Z
按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感，要自己去通过公式换算成回路电感？
Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual

% G1 y, m* D+ A1 K上文我把参考平面Assign成Ground网络了，这样Matrix结果里面就没有两导体的互感。其实我把参考平面Assign成Ground网络就是想让信号线参考它呀，不然这个Ground网络的意义为何？

* p1 z& B: |. A5 R7 @- ]那我想算Lloop具体应该怎么做呢？地平面也要设置成Signal网络，再加Sink和Source得到互感后手工计算？
- {/ }( \5 j7 d* W. Y
还有对Reduce Matrix里面也有Ground Net和Return Path，对其用法不是很了解。版主能否详细介绍下呢？非常感谢？

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
4 w7 b! c$ ?: _" r7 c多谢版主！还是版主强大。G是我看错单位了，一急就犯晕了。。。见笑了。
6 T6 A9 w$ c" o/ e8 V- t6 D
按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

0 f+ d: _- W* d- ]) X- p+ w3 W+ p9 F事实上，Q3D算的就是loop inductance。
$ E) Z" u# C/ U! dSI9000算的才是self inductance。
& @0 P& P4 L% C) ~RLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.

均勻傳輸線特性 ...

事实上，楼主的模型本就没选GND作为signal，而是直接用的ground net。
算出来的matrix本就是包含了signal self+GND，没有signal net给你reduce。
9 U5 y/ H/ U& V; |1 B3 }那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？
( u7 |3 u1 Q4 W% y

tanghao113

! R+ R0 K7 i! L3 T4 N- _" r

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.
# j% r+ _, K' M' S& W2 y
均勻傳輸線特性 ...

4 X! I" h0 ]% f) w* D" u之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型，以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。

果然是的，信号与参考平面都Assign为Signal Net，用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得到Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual

其中设置为：信号与参考平面都Assign为Signal Net，都设置好Source和Sink，不过要使得电流方向方向要设成同向，若设成反向则超出很多。经分析与Lmutual的±号有关，不知为何要设置同向电流，比较难以理解，按理回流应该反向才对。

同向时候（Original与Return Path矩阵）：
" v! E* g. @5 W& M
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH
  j" q8 x' z! V% @! k  F
$ U) g. ^$ g: n( R- i: M  y9 J: \+ _反向（Original与Return Path矩阵）：
+ z7 q+ S( S' }6 H9 P
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH


- h( Z+ r/ X: L" `
& F2 X6 `& E0 d* U/ p
- R, c  U4 c. s
) R5 z! Q+ _3 K

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
7 [% R4 a2 H) U+ R  k9 X选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
1 c% Q9 ^# P8 o  [/ M7 ~* _* ^对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

% {' g5 ^0 Z( F& `1 m9 c谢谢版主，我先细细消化一下。

Head4psi

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
" C$ V* }* R7 j7 k0 q对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

+ N5 o! j6 Q2 i" c8 g

; C+ w; S' X  i* P5 Z& E0 U0 o
/ y7 S) R7 ]0 d/ C2 [; T$ c

Head4psi

cousins

' I( V4 e* a) y# F( Q, c

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
4 D5 I* G9 Z! A4 v[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ]
...

; V4 u  ~6 D+ g+ F% L2 ]我都讲了self为partial有前提条件了，你不要不管我前面所陈述的条件，我说的是存在两个导体构成一个环路，有对静态地互感的前提下，自感为partial。
; w0 {8 ]6 u5 E% _8 c3 Q而且，你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了，楼主最开始的模型算的L11难道不是自感？你又不是很肯定的说是partial?
" y' k/ R+ Z0 Z7 ^2 [; R

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-14 07:52
我都讲了self为partial有前提条件了，你不要不管我前面所陈述的条件，我说的是存在两个导体构成一个环 ...

+ V, I9 `& f. y; l* J$ \看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了
  P  m; ]- F- t8 I

tanghao113

光是这个电感就够我回去在研究一遍电磁场了，先传个附件，学习学习

tanghao113

       最近这几天有好好学习了一下Q3D的官方教程。了解到Q3D软件解出来的都是Partial inductance（局部电感），而Q2D或SI9000这些2D场解工具算出来的都是Loop inductance（回路电感）。如下图所示：

. ~# r  s0 E" j3 u+ `       其中Patial inductance又含Partial self-inductance（局部自电感）和Partial mutual inductance（局部互电感），有关这两个概念可参见Eric Bogatin大师的书，上面写得很清楚。
7 o! S3 J- P; O. ^       为了实测（其实实测的就是Loop inductance，因为必须要形成环路才会有电流流过）能与Q3D的仿真数值能联系起来，必须使用Martix Reduction来获得Loop inductance。如下图所示。
, e8 b: `0 s% L! l* L

1 S& j: Y& h' G; S       Q3D可以求解出Patial inductance（局部电感）LS1，LR1，LS1-R1，为了得到Loop inductance（回路电感），用Martix Reduction中的Return Path来求得。
& n# r8 i. }1 U' C

6 M) s& I# X9 n/ h) ^0 ^" u