Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

! F3 i! Z# B) k$ ~5 y) a8 S+ e1 X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。

4 f0 X- C) D) Q. X7 W4 [# {叠层设置如下
) e- T* u& Q# z9 C* D4 D
) V& O  N: G& e1 K
1 r$ i3 s/ O* C1 O, \/ T1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
8 K3 P2 |, |- q) f6 I

, @/ G( P' }/ Z) w即SI9000计算的值如下(每inch)：
: _4 P% Y4 I  c" K9 rR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
6 Q/ s9 F, l, a7 |1 \% g: _

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 q, `4 A" q) r% ~8 b' `3 {. H
求解的RLGC值：

$ a1 d9 ~+ X( P5 E1 \3 K即Q3D计算的值如下(按每inch换算)：
' k& s# I$ V: i, F# A, XR= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF
( c; z2 X3 p' l# s; z4 W* K
把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch)：
2 `% T! p6 Z* o- k/ q+ X/ {0 mR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF

! C5 {9 M5 O, O- ]; n! T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: 45)

2015-11-11 17:07 上传

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( l, A8 |" ~% _6 P8 _0 G, @# |

fishplj2000

总结如下：
# x$ K  Q& a8 _( T! {& d0 b1.Q3D计算的是Src到Sink的Partial inductance局部电感，必须要在reduce matrix中设置Return Path来后处理获得环路电感
' j. e  s( q* w( Q' M* a% k  实际世界测试的都是信号线与回流路径的环路电感
: @1 ]8 m) O, T+ r4 N  Q2D、SI9000、LC-Calc等2D场工具计算的是Loop inductance环路电感

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 17:36
7 H+ _( {) y' E3 {! k) h( |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。

/ l) q$ p' }5 G- h0 }% [5 S8 C' y; n6 M ...

* u8 z# v7 ^8 }' c" x+ @1 z选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
7 S6 p- t+ S4 e- q' Z( j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。
/ C+ n  s; L4 T  i; J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。
% ]9 Y6 y" B+ Z2 D" f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。
+ t' ^7 V& _/ ^2 P9 _  s5 N3 T2 Z5 R
L matrix是有self和mutual部分的
8 x- L' _" Y0 K2 `6 f1 a! ^8 n/ C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。
, [- h; Y( B; `1 k
2 e4 y: o1 t: u9 J- X5 r
0 [. H: L9 X/ c3 Y( Y: w

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。
5 w9 @( |5 Y  P. ?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 W" R; @- w/ D. _9 D6 B* v" f. b至于G，mS和S的单位差你难道没发现么？

0 N1 H$ ^3 K" v; a8 T

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
+ Q" ?( Y  q/ c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 ...

) L# s3 H) x, s0 n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。

0 E" n3 @- S. p: z5 \7 p0 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？
Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual

! I9 `5 c5 @, z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？

" C2 J1 |! A4 P' z5 G' V0 W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？

  r8 x5 v. L& x/ o: g2 h; L% v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？
  K3 U, k* U9 r6 b

cousins

tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
4 e  ?6 V7 P7 N9 |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 M, R; w5 x: ^" N6 n5 `2 G
按您这么说Q3D软件算出来的都 ...

事实上，Q3D算的就是loop inductance。
8 x2 Q$ p' [& Z5 S6 mSI9000算的才是self inductance。
$ B! E; n# f. o4 O( z' h( \RLGC构成的电路L11，而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
: `6 {8 ?* G  X9 @7 f# q# O" G> , 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 ...

* k3 ]9 \) j7 J2 y8 \! h$ v事实上，楼主的模型本就没选GND作为signal，而是直接用的ground net。
/ [8 N( t- p2 P7 W' S8 M算出来的matrix本就是包含了signal self+GND，没有signal net给你reduce。
, |3 c3 ]. S) e5 `那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？
. k4 ~4 o; u! i/ h; o

tanghao113

& y% M, K' d: {$ _" o* H

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.

& V+ K1 U+ m6 e* ^9 \0 `+ {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) i' z7 I: a5 G* z7 |- x: Q
. g% s% v- V' g  Z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
( X# _$ D! i0 u- Y3 t
9 T3 ], o4 Z, A9 k) \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）：

- }' ]6 s- ?$ y- [9 W7 L+ I即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH

# t2 @1 T+ R" C, I5 Q0 {; c反向（Original与Return Path矩阵）：
" t  T0 d9 j# c7 p' w5 u* j6 J9 _
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH
# |% J( K+ j5 v7 x. n8 Z$ c/ x
" i- m; N. N* B7 }$ F7 Y

* Y4 e9 e) [  W  e$ `

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
8 j1 i" i) C% J$ x; W5 [选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
. V6 U2 E0 z3 p8 ~; A% V6 x% Z对于交流：
而测试点在source端，你如果加反向source，那么获 ...

: M0 \' g5 E' \8 k% c4 ^谢谢版主，我先细细消化一下。

Head4psi

( s1 t: s& U+ l/ {8 o4 _  Z

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 ...

' ^" t0 K1 U& k6 K/ C, `9 S8 J
- X, O4 ~# c, I) f

Head4psi

- N: e' |( z$ w* w0 i/ g! ~

cousins

Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
' ?3 k6 o- P9 |0 ]  L[ 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 ]
) [! t) U+ K$ Y% T; U6 V% P' q ...

5 Z. F8 ]5 B! 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 ...

& ~  J1 L% }5 M+ E! X看晕了，这个reduce martix太烦人了，自己看得头都大了

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：

, P& p+ w. ^' Q' v       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。
& G4 v! C0 ~2 A' W. d! m3 _       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。
: G: ?0 h, M2 K$ A' t

       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。
" x. P' h* V( Z7 J

7 e  h8 w6 z# ?1 y( ~& U
3 V' f& z! {3 d2 U/ V