Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

( A( q" q3 {2 f
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


1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：


即SI9000计算的值如下(每inch)：
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF

2 x, Z4 E: n8 ?$ o( r
: J: d. Y: h( ?8 j2、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
1 [0 h$ t2 C2 `
( @2 s  k1 o- q/ q4 p
4 V# E+ U5 u1 w. u求解设置（比较高的精度要求）：
收敛：

" Y. o  o& z* }) M
求解的RLGC值：
4 R0 U$ l( {& m6 t
即Q3D计算的值如下(按每inch换算)：
$ V9 E3 P/ g$ L6 n+ o- O, m  SR= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF
0 x3 f" g9 i. k
) ^( \6 v' k9 T9 N" g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
6 i0 }, w$ h1 t8 ]1 c
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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  t2 g* I& U) u" H




/ b, d. x7 m! k$ @( R- k& Q; q

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。

2 p5 u) ~1 x- O1 A1 h/ W ...

选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
7 s$ C# p: S. G. v对于交流：
7 {2 f# L: w. j3 J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。

$ s6 G& _0 w) pL 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。
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。

! G4 R" ^3 K) P1 m+ v% {9 t" ?
1 |! R! V2 |4 N3 M
0 l0 a# ~2 l( y' B5 O

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.
0 g. C+ V' |  W" q, r% B
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。
! x0 Y; q- K) X4 G3 d, y3 x3 d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。
至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？

' x6 X: F3 u7 c0 L( H9 w3 q! J( }

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
6 N$ ]/ P$ f& E0 r这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
. a& P+ |9 A3 @- n) Z- }& W6 [0 u2 k可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...

" R/ h/ G1 I, A' g6 K$ f, I! H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。

9 s6 Q+ ~  p+ s3 }9 q+ f* q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

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？
7 i8 P) O: ^& C- {
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？
- D; \% {9 u$ A) E6 Q. P) e
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
- c' |4 W. v) z3 o2 S( z& h9 s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。
9 T0 H/ p$ G& |
( v) Z* q  y3 _6 b$ H* s0 M$ O按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

事实上，Q3D算的就是loop inductance。
SI9000算的才是self inductance。
- T+ b- \- Q/ D% l4 w7 Y  PRLGC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
1 x' p2 d& w. M> , 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 ...

* ?* M  F0 ^# i# l/ Q. Q' i# j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。
! o; O3 v' ^. W# S( s; W: d, v那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？
4 |) F/ q+ \; I$ r# F* _- I: ^# Q

tanghao113

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
% c7 l# n8 }& k& U& o; H> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.

4 C7 u; y! O1 m5 r/ @" K$ b均勻傳輸線特性 ...

! J, E" K' ]" ?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。
* S7 n4 N, s4 G& P  o9 j! I8 o
0 C( C$ x9 G& e& ?7 ?0 d. a; d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）：

即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH

. `( r* {8 S" b9 ~: D  W' X: x) ~; j反向（Original与Return Path矩阵）：
( A+ ?" K3 S; a: v8 r' G+ j. ~  F
& o. V4 g  `; J- z6 e* m8 l3 X即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH

) j7 ?0 H2 v  _3 M0 Y( @# w8 T; m
7 Z6 _2 f# l/ A# d

3 r, I6 J1 M8 o* A

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
6 O: F1 o" Y8 g/ [$ f  c! R选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
, k8 P$ h7 {8 C3 S9 d而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

) G' j( X, g2 X; D6 i  }0 h% x3 `谢谢版主，我先细细消化一下。
  K" p- ^9 V8 `4 q) t

Head4psi

+ c8 d1 t" R3 i" }! W7 W& h

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
% p. l4 m: G% b2 y选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
" D9 q% C1 A4 t; a, ]而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

, j3 d1 \$ M; v  f+ }+ |( e4 z! E
8 V9 j( @; A% t! o1 T

2 H+ ~7 }6 m0 J4 x+ [2 u! T

Head4psi

cousins

# @0 X, D- V: k$ x+ P* n. L, \# _

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
: H! Q7 ^/ r5 T[ 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 ]
) S; \0 d- `! d8 k, J8 v5 _ ...

) E# |, s: x2 J* C9 D4 o) V- a, u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。
% j" y+ t7 ?; b' T( C( A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?
( ]5 k! S4 t& A, q  e

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 ...

看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了
5 k# [' t) p  b8 e

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：

4 `# L$ O) F& A3 h7 ?       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。
       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。

" v; v8 H# E$ A: i
7 ~/ U" U5 `9 M4 H

       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。

, s6 x: @; {& y$ i

( C  ^5 k9 T$ d( G