Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

1 P) _- ^2 l  C3 R8 b
# _2 H  S  x  K" }* I9 B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。
# A2 J- b/ @: D& R& B
叠层设置如下


/ O$ s* ^" e" _2 M1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
* |. r0 M7 f: K- }- E

1 O6 X7 Z) X4 \0 I8 I) `即SI9000计算的值如下(每inch)：
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF


  ^- Q* m7 |6 \3 \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


求解设置（比较高的精度要求）：
收敛：


7 n7 v1 ^2 X5 x. x6 q( z) E求解的RLGC值：

即Q3D计算的值如下(按每inch换算)：
6 o% p4 k! C$ L7 k; j  r) TR= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF

( L' o! ?% W2 z$ ^  K( S3 x, s把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch)：
3 Z1 X, V# a, S) c. Z* ER= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
: N% q! d' @8 D7 I0 i& I- G; @
6 o; H6 p* N+ R6 N, Z# d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

点击文件名下载附件
下载积分: 威望 -5

! Y( S- R) _( ]) H# O- D5 i




* a( {0 Y+ ~+ P: \

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
0 @& d  n/ Z: p6 }. P+ I* [% Q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。

...

4 y, w* d! S! R1 X5 K7 _8 y4 n- U选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
$ P3 Q0 T# x- K6 a0 O5 A7 t, `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。
) Z" Y9 T5 p9 ^* g4 A  I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。

# S+ ]/ q) {/ I3 H1 F6 ^4 W6 yL 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。
, A/ v8 S9 W7 E0 i$ u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。
6 E- q# E" |3 Q/ a

" [) v1 x, Z8 c3 ]
9 }2 _# s: @) j! V

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.
. j: G6 A0 l% [
. p+ L* _' f; K2 }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？
, M! y1 ?6 J9 T. Z' \0 B
. x* e% R" O2 O* r7 e! G

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
& G& K- N9 M2 Z: L这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。
; f9 S- r7 H* I, B/ s+ e5 b5 O可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...

. L' Q$ @. h! j: _( [; z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。

3 _. y9 T+ ~7 {* D9 X7 ^2 O$ u9 U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？
$ z# v  h" T1 U- q3 P* E9 d% FLloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual

" P3 A* y: L" j1 g0 e2 ^$ a  E7 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？

8 o& Q& @9 N. N7 |4 q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？

2 z! G. ]% [" b$ ?& u& 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
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。
! i1 q# N9 n4 V2 M
+ n8 ~2 b/ ]& A  U, {+ M. v按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

事实上，Q3D算的就是loop inductance。
1 B/ Y( q9 b) r- sSI9000算的才是self inductance。
4 E2 E' e+ Y  b' m) n' NRLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
* g4 P) x7 v1 v- ^& A! Y

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.
) X" ^# X, c* ]
0 C7 K6 g; A- Q' \. v) V) s+ z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。
0 `7 h+ h* J: a  e% u% e' k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？
6 a: g* h$ W3 G, B5 T1 W

tanghao113

/ S- T' {, N' v  f0 b

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
  l3 \" [0 \, o> , 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。
3 p" v/ W; \& e' |' y: J- O
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。
, {8 z; ~( g) m! o. u
# U0 S& q  ^% l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
3 }- D  T  G" R- a2 \, \
% @- s) ]' q$ g7 B  _6 p, a4 a反向（Original与Return Path矩阵）：
  B! G3 |$ S5 t3 i
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH

0 j- C5 T1 M7 `, _) O6 m! h

0 [1 a1 X: a/ s

0 g- M# }% ?& f3 @- g

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
; _0 c% ]! z8 h2 K2 k选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
5 y  m! l2 D; b, y3 E) ~4 J6 L对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

. M- s: K6 v5 e+ J谢谢版主，我先细细消化一下。

Head4psi

6 P# p8 j; f5 }; D7 K

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 ...

Head4psi

# W3 C$ b0 s8 N0 D6 N) R" O

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 ]
...

- f. D! z% }3 K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?
- x) T2 l3 v2 O3 ?, u' m2 z

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 ...

  V7 Q9 X. z% G1 G看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了
. M$ E3 R; s8 e* w( k* M

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。
2 ~& ]; z  S: }: Z5 q1 _

9 K% _, M+ f- G/ J
9 [* T% G# k/ i; t& K/ ?
       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。

  g9 L# |5 {- K( h: d1 b
& a% F1 b. |, x2 ~) T
8 `' c6 A1 a2 c$ A7 K! r4 K: \