Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

+ F5 `9 V  n& S' ?9 S+ e. N
0 b  @) |4 F3 H0 s  S0 D: Q' U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。
: H& A* l/ j& {! [0 }; Z: m' _4 o
- y' M5 ?" c1 `: T+ x叠层设置如下

" b. _$ w' k0 V
* R, E) a2 z$ N1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
) _$ ?. M; h$ f$ Z0 F7 p& a
. n- [- s% A: P( a- z  p
即SI9000计算的值如下(每inch)：
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
0 {  d/ ~3 x& _& W

2、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
  J6 c4 c- S1 @8 [
, i& D4 P7 f2 o$ }2 s- \
2 B( G: [& Y8 |# M. \4 C求解设置（比较高的精度要求）：
, k' N2 J5 M( J5 }& \ 收敛：
& I7 V( j- i+ [: |8 L0 n, d8 h) I

求解的RLGC值：
" |& U6 g. C+ P
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

0 x. ?6 U: U4 |2 L5 g+ K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

; J7 _7 E; W4 t: j; s5 [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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" F# \* S  U& l# N7 G+ R
( S" g- J4 L4 X& C9 c3 U( h
9 W  e- z, L# |; @
6 p% N  m3 M% [% G- q! V
  x. K8 O! O3 o: H+ s- N

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
9 _  ~" Z4 l( o6 U6 M4 {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。

...

. f$ T8 L, c  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。

L matrix是有self和mutual部分的
+ V1 {" T' l0 M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。
2 q9 B: s/ e5 @( L, V; P" c7 }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。
8 V7 |; Q2 l1 c' S+ M* A6 T* P6 O0 A/ ?
! e& [, \) ]8 d

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。
至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？
6 |) i* m2 k' m; m" D- D, c
8 D( u/ ^  A1 R" T/ O; B  _

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。
% n9 R1 X) K% C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。
, X- K9 j$ ]' h8 R+ }- J- E
2 ?; V3 L3 u* \# U: K+ C1 ]2 P. ]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？
" T3 a$ w" }- u' V. [Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
' P& o- H! j: d, s% O6 b4 S4 [$ b
8 Q& V6 x+ N& n9 r  K  A; w8 _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？
2 ~4 H$ o% _4 N* t2 A  {
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？

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？
9 X; G% f) T* f$ N0 ^4 F

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。
- f$ {$ t+ t* O5 u1 A
4 m( U  P! o% [' F/ P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。
RLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
; ~0 i- h- f  @

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
2 D+ ~/ `" S+ {! E6 M> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.

) P7 v' N8 P, t# \5 {- I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。
) c; h  _+ R( |那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？
+ _4 }$ z* u6 j5 \6 X- j

tanghao113

3 r7 A" D2 M8 D. b

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
( C# X( v! v1 Q> , 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 ...

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

2 P/ ~' [  L3 w. r. s0 F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）：
/ l! B" M9 V' g" @5 y
, S/ s7 ~0 I! Y! h! w! U; e8 l即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH
! h1 U1 ]# p6 |5 q
反向（Original与Return Path矩阵）：

即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH
8 D  J& F9 v& N" |* K" h



$ N, d. O+ g$ z( {" d

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
" q5 L3 Y* m3 G5 o* J& J选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
: T; P  W! v+ I) I" {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。

Head4psi

" u/ t# u  ]5 _2 D

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
$ V4 @! W1 x2 |& D# R9 K( K选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
5 v, Q; y5 y7 j' N$ F& {5 e对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

; p! Y; _' [3 l+ D: F$ ^! c& n4 l" F

" k: W( q2 D" n& u2 n) G

Head4psi

cousins

  W6 b5 n+ f2 X/ ^/ j

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
: r! G8 x0 m7 H" @[ 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 ]
...

. r3 s9 w; E" F1 U7 F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
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 ...

& t' ^1 Z8 ?; O( a6 _6 o0 H! h0 B% K看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了
0 r: \' e. \. T' f0 v5 Q

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。
  q3 i# _9 L+ ^" g  x       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。
# O% d0 q6 {. k9 @8 E: p) h7 l% Z

) i' M& p& \5 _       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。
3 I+ i! [8 s: y- `# f4 M

) A7 I7 M5 n4 d) T
* M0 Z' x$ J4 P0 Q1 X8 N