Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

: t) V. w% N7 N/ ]3 j6 I4 s4 \! 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。
# v8 @  a4 b' [
: L  m) z8 L# M$ F3 W叠层设置如下
) w6 ]. b# [5 x, q5 H
' n; E) ]" @6 b$ N" D: L
1 N5 X+ [- A' E( z" x4 f( h1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
/ v2 i. E* w0 _5 u! ?
6 C+ X7 q$ B6 R( B( I0 y4 i
即SI9000计算的值如下(每inch)：
* W2 i1 B+ B9 @( R/ T5 ^R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
" s2 A: M! a; u9 x

3 t3 l- G9 i7 v1 Q. p# 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


0 Z: z% M* G, A9 f1 u2 i( y' R3 G4 y求解设置（比较高的精度要求）：
- S0 E# Y$ I7 V( T+ w) P 收敛：

, Z0 [# s" u; W' b5 B
求解的RLGC值：
. _  S# M2 U3 s$ Z5 K
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
. L% f5 V' f, l% ^% y9 |/ a/ H
把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch)：
" ^2 G1 i; S6 J7 hR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
% A& `. V$ f. ]$ [  l* n6 T0 q+ V
4 m* Z/ m; D/ h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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2 Z: O# c- n! {% j* f
$ X7 O8 K3 O$ W6 [/ D" [

) ~7 b6 j4 p% E0 B

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
1 r# L( T; ^9 U. I3 `3 f8 ?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。

...

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。
( [. a4 ~, F" t4 V( e4 e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。
' T8 `' w6 M  X# S
% g  w  C  c1 m: Y: }: X& IL 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。

! v; i# B" i6 R

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 L! ~4 j' @3 h: I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。
! Y% S4 Q/ c7 q2 n: M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。
8 z: f; S& R; H: c$ l. q9 f7 s$ W至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？

) N: Z) Z/ k& F9 m' }& H

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。
) b' O9 {1 |7 h) y# O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。

1 g3 \+ y$ z& [: V0 h* E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
- r7 @8 S' s6 R5 x1 E
) d" c0 u5 S# [% ]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？
- w/ e$ W6 Q4 p' y' ]
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？
* D/ j, M8 h  M& n; n  ~. C

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。
6 w5 p1 C  x/ k0 M& \+ X) P
按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

事实上，Q3D算的就是loop inductance。
, N2 P, f4 i' T2 M9 z# ?0 hSI9000算的才是self inductance。
% T+ H4 p# C/ N$ s7 W2 N  KRLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
2 i; n  w8 t3 Z" [+ j3 N9 y+ B

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.
0 j- {9 d  f- n/ F, Q6 p
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。
, Y, m* ^* o& U) c那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？
" y8 P6 T8 M* h$ t- W$ ?" T

tanghao113

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.
# S+ h' E# A# p' `# G
4 T" C; W) M1 D5 P" C9 B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。
* x/ D5 Y, c5 h4 D1 j% s
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。
. c4 N$ ]* ^; N
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
; F: [7 h1 r5 J; T, }
反向（Original与Return Path矩阵）：
2 F6 m% |& d& a& R3 |( K
  b  p: O) Q: q即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH
- C' A& S1 F1 K+ ~' N- A; y

9 c  i0 [. ]4 z
4 r6 h0 `, c7 k7 a, b

' U6 t1 X% `  Q! k

tanghao113

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。
对于交流：
: L2 r' F% [+ [" @0 a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

! F- `- D, K* t3 s; T

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。
对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

5 `5 ?$ V5 b0 Y# B3 ~
8 T- |, l% e( i1 \' s

Head4psi

7 j* u6 ~3 ^! Y3 y5 y# }! P+ w

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
[ 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 ]
$ a) F8 c: a) u2 N8 Y- V7 U5 x# y ...

/ k* H+ B% y! T7 z6 o% m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?
$ t/ L% N, e& E" n

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
6 N% Z! I$ N, Z' T8 ~

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。
       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。

       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。

8 R+ f# \  z5 P! n+ Z