Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

tanghao113

5 G; S, R5 o+ V$ ?9 C$ O6 z: D
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。
6 ^! L+ U% G2 Q
/ U4 I0 @) @; B4 I' U叠层设置如下

* H" Q8 f" V6 l: ~$ s; h
1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数：
/ O7 H. O) J. T

即SI9000计算的值如下(每inch)：
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF


: m. R, _$ a% D0 F0 a( `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）：
+ t) m9 T" ^/ j% a8 u 收敛：


求解的RLGC值：

即Q3D计算的值如下(按每inch换算)：
- R! B7 D1 @& N9 }R= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF
$ V. y) `: c; k( U( g* s$ d2 V
' F& G) s/ C9 c+ m. C1 N' ?1 ~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
4 Z8 Q, a- v1 Y0 |5 q- @) o5 l
8 e5 E8 A+ y2 M- e/ x7 m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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) H; ]/ h2 o+ w

6 N( {5 W  N& v, B. N' t
9 k; U7 U* S- e2 ?3 r/ ^" D

fishplj2000

总结如下：
1.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
3 h$ F7 [( P0 p" v  实际世界测试的都是信号线与回流路径的环路电感
* [3 n: |* M7 G' s* ?  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
; |1 Q( \7 k/ q  Y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。
- P* y* b0 g" p1 ]( G! _
4 q4 J* I9 c6 u. a8 w- P/ k3 p3 ~& @3 F ...

2 E# U8 S( W. l7 `选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
" o4 P& |$ o1 m6 h5 v; e. N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。
: _( [) E$ o7 c  l9 _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, g  J3 W: {/ y" O
- K8 B7 G$ L0 E9 h1 l, q# d- oL 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。
' v4 W; y$ I* y) i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。
' D; t; \& n) N( u& D" o5 R" h  x


' l/ m! l9 P- G+ H0 w6 |- x

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.
  V& K4 O) {4 n9 W# n! Q
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？
) w5 v1 f5 P1 E) I

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-12 10:09
) A$ L3 M6 s: L. E+ H% v+ U0 U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 ...

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, m+ `' P# w4 x" C8 J4 j* q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？
$ I' o" t! w/ A) C/ p# h1 BLloop = 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？

, O) I0 ^. P; ]  c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

tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
2 X# ]1 F, z/ {+ F# i1 M& P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 ...

# [! X% H0 ~3 O& F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

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
/ y4 ]8 E- |7 R* F0 V, \> , 此言差矣，單 source到sink 為局部電感，Reduce Return Path 才成 loop inductance.
" `; ~; j: k8 d; \: X' t8 L9 S
均勻傳輸線特性 ...

* X% Y+ Q; b% @5 `* S$ d# s- W0 M. 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。
4 p6 i' `' R6 C) Z( p5 H+ p算出来的matrix本就是包含了signal self+GND，没有signal net给你reduce。
: t! t2 @' |) d/ C3 E, U那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢？

tanghao113

Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
; f) c' b- n  M> , 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

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）：
9 u$ f- E, X/ f" c
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-13 13:36
% q6 j' h+ J4 n# a/ ~5 x选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
对于交流：
9 m& h% v, N. p+ p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。
% b6 p& J9 g3 W) J0 A! X2 A: |

Head4psi

' u# E0 n6 }3 Z/ w1 E- h% _

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 ...

4 k. j: V# Q- `1 x7 w0 Z9 q/ e/ Q
4 z' ^1 t2 H! i; `
+ A/ H+ }. P4 R; F1 F/ w4 `

Head4psi

cousins

$ Q& p+ f5 j7 C' n1 X+ [; _

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 ]
...

: L3 O# a7 h7 i: S. q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?
! P& }/ Y7 L0 q8 `- b; k

tanghao113

cousins 发表于 2015-11-14 07:52
3 l5 V% R+ 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 ...

) M3 q2 z; @7 D8 Y# R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：

1 _! w1 i0 I+ V# u       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。
0 m3 I: [6 L! ]* Z  Z7 K       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。

: ~% `: |3 ~% [* T& J0 A3 X% j, U6 `
       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。

- E2 `! e2 m9 Y5 ~! q
! R* P) e8 |! O4 F3 I" r