Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113 · 发表于 2015-11-11 16:57

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本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-11 17:14 编辑

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、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：

求解的RLGC值：

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

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

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)

cousins · 发表于 2015-11-13 13:36

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
4 t/ @: V" u5 i: A& V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。
7 a) F3 K% v3 g g9 h |) ?5 o3 t: C
...

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
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。

Head4psi · 发表于 2015-11-12 16:03

<< 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 · 发表于 2015-11-12 10:09

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？

tanghao113 · 发表于 2015-11-12 15:02

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
0 K- V' t* I2 P) p+ }这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。8 o+ C) _7 ]/ p
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。

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？

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？

cousins · 发表于 2015-11-12 15:36

tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02' ~" u( _$ L% o( {. D
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" ^# |7 X6 H! v% J. _. N# s* ]9 }
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。

cousins · 发表于 2015-11-12 17:10

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03% S5 b/ r2 g$ Q( j9 G7 o% ]! w
> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.
* S; _& y) J% s# d7 e1 p5 z4 O# a) x- A% M( X, U2 T; e" 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。
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？

tanghao113 · 发表于 2015-11-12 17:36

本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-12 17:41 编辑

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
" Y3 ?3 z% h2 s% ~ e' `0 `> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.8 H" U, ?/ @, W; Y' r9 v% v3 Q% R
2 S: s- F7 [( ` R
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

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

反向（Original与Return Path矩阵）：

即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH

tanghao113 · 发表于 2015-11-13 16:30

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
& o$ O3 S2 N5 h7 h! Y j! i选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。) H! D' E+ D8 n" b6 j
对于交流：; p3 ]6 F* d4 ], X" e: D! Q0 n; k' 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 · 发表于 2015-11-13 23:27

本帖最后由 Head4psi 于 2015-11-15 20:39 编辑

cousins 发表于 2015-11-13 13:365 t1 h6 l: G+ C0 a. k' w
选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。6 z8 j: o0 \$ U* r) A7 w
对于交流：! k- x0 P* i+ Y! T1 l
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

Head4psi · 发表于 2015-11-13 23:29

cousins · 发表于 2015-11-14 07:52

本帖最后由 cousins 于 2015-11-14 08:09 编辑

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
( M6 a) |6 H' _3 D$ s[ 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 ]
; J; c% Z; {4 Q1 W0 i ...

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 · 发表于 2015-11-16 16:51

cousins 发表于 2015-11-14 07:52' K7 s% T' n4 [
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

tanghao113 · 发表于 2015-11-18 11:45

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 · 发表于 2015-11-19 17:44

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。

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