Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

* y  V  w: H8 j1 A5 D) j) R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。
2 S" X. E) d3 x1 m; M
叠层设置如下
) x2 n3 V5 B! c& P# f- T9 K' x

1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
2 T, |; m9 G  m8 J- {7 U1 J
; M; E( @2 V) e. t; \4 t, b
$ \8 b% J2 W: w即SI9000计算的值如下(每inch)：
4 ]4 b1 @' n$ H9 }  RR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
! E6 h/ {8 h/ p0 e3 e
( |* F9 X( ?3 w' J* [
8 ^/ i. [; k$ w. N6 u; o3 D2、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


" V" `. @) p0 t% ^求解设置（比较高的精度要求）：
收敛：

8 m- N9 h' }- _
求解的RLGC值：
2 S% e7 l& ]% V9 }. F9 x' b0 D
' t( \3 b  A, J" y0 W0 K1 I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

' Q7 U% ?- f- S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
4 B  o, }5 C4 ~! v4 Q& O0 w
& ]! ^# P: f( Y3 P/ x! W: y! R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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8 E. z. M+ t/ ?! J; r
- @6 _; E' N' r
+ y3 m, e, n$ A# Z! y9 q/ W/ ~

4 M3 {, `7 i: q& s
" `6 V7 U2 q8 I5 w

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
4 w8 V$ q3 j+ N5 I0 S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。
5 B& n( ]% m  O& s" J* p
...

1 y+ E4 x& |* @# [- ]选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
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。
4 f; w% c/ b- I* r. R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。
* d! ~7 Q( {3 V$ C1 _3 _& P; g
L matrix是有self和mutual部分的
0 C8 F1 p2 P1 ~# L. J- t' E1 G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。
" z& r/ n8 F# g1 g. h, h7 }7 A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。
3 ?, s* i2 V2 X2 Q; O
! o* P2 j9 G' d7 y" l& p4 s# N( f
3 O( ~/ |, J0 }5 m2 X; O- g; }" 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.

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。
, y  {/ M0 t5 ]4 Y+ D# H+ o至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？
+ [8 {' |) |1 B
' @+ M4 r! f; @5 S3 a5 e

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
" R! Y0 ]& x& I8 `/ T9 g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 ...

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。
2 ~2 O6 X; V' M) k
1 L1 _3 _. j9 E# |. u$ w9 o1 _8 |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？
; W1 W$ x+ r7 A2 m. }! TLloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual

( m7 {  U2 j: N5 m! t% B8 h4 A; P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？

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？

# P1 \. U. b6 O/ u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
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。

按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

2 |* S- B6 M* K+ i事实上，Q3D算的就是loop inductance。
SI9000算的才是self inductance。
! d1 ?9 Q; R, ~$ u/ RRLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
- J" j2 H: C7 ?

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
4 T* ]9 b# L8 [+ \! Y. z> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.
' J' O' S' Y+ M- `; M  d
均勻傳輸線特性 ...

( O7 Q# v4 C/ U2 G# t事实上，楼主的模型本就没选GND作为signal，而是直接用的ground net。
1 A% m! @% {( J) l# i3 M算出来的matrix本就是包含了signal self+GND，没有signal net给你reduce。
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？

tanghao113

4 Q* Z2 r+ @) v! _  M

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
  o) d6 T$ {8 B% `6 w> , 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 ...

' I  x7 b, T0 x/ `3 |, j- v5 g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。
3 Y# @+ q; D" A/ s1 K- I6 w- c; x
/ i. o) \) K- x2 k: ^' P7 t6 r0 B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

9 J9 Q. |5 ^: E" \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）：

- {' M2 l& k, g) Q3 [. G- T即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH

# R; A: S8 i( ?6 `反向（Original与Return Path矩阵）：
; M" ?& k( Q. Q* W& s" B. t
  q, d* [: J  ^) j即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH
( u2 ]* ]$ u6 d1 X  d& @

9 y9 t( S7 z  G8 N9 Z  J2 N


( j9 W) D# f$ C9 E, O

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
4 `. \: N5 B6 ?6 a6 N' a: n4 W选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

谢谢版主，我先细细消化一下。
+ E& J7 S0 o8 j( G, C  D& p& g* A

Head4psi

4 V' T' j7 @) @4 `3 D, R. [

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。
- h  @. D! Y+ P0 l对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

" |+ ~$ N/ b: |* V( V$ J

Head4psi

: ?4 k! B- X5 q: H1 G. L& A

cousins

7 U7 [: P8 r" \9 }  g8 `

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
/ u" A  |) x0 k4 R% }, Y. X[ 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 ]
...

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。
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?

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-14 07:52
# _9 b. }# F" P% I  O5 A# T( m$ J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 ...

; o. [2 G) Q' R7 W( e; n! ~) e看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了
2 s! w0 K! f0 {0 }4 A. 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：

       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。
9 O  f  t" ?6 z) Z       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。

+ p  g/ u8 ^3 L: J
) W" B7 x8 ^  \/ |' _& T) ^

$ J" D1 l5 c! E- J5 \! a( Y       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。
, _, t7 G# s$ _, }8 t1 w

& o0 Q& \# \' C6 U7 ^' _
3 j& T) {; Z8 g3 q! Q- r7 v, K1 [; z