Home > ANSYS Q3D 教學 > 無窮遠處導體仍貢獻互電容是對的嗎?

 

本文始於2023，以2023R2研究(說明)為何Q3D會看到無窮遠處導體仍貢獻互電容?

1. 前言

2. 分析比較

   2.1 導體移越遠，對電容分佈的影響

   2.2 導體設float net並移越遠，對電容分佈的影響

3. 問題與討論

   3.1 為何導體1就算移到很遠處(1000mm)仍貢獻不小的互電容C₁₂/C₁₃(14.2/13.4fF)?

   3.2 在Box1很近的情況，Original與Float at Infinity的C matrix在此例仍有明顯不同，何者才是對的?

4. 結論

1. 前言

   兩導體間的互容會因為其它導體靠近而下降，但當設成"Float Net"的其它導體靠近時，原兩導體間的互容會因為其靠近而上升。這現象背後的原因，在以下視頻內已有詳細說明：

   Q3D進階課程 > Q3D後處理 -- Float at Infinity/Ground Net/Float Net

   

   但除此之外，還有更深入的細節值得探討，故事讓我們繼續看下去...

2. 分析比較

   下圖三個導體，當把導體1(Box1)移離越遠時(distance sweep 1mm~1000mm)，觀察互容C₁₂/C₂₃/C₁₃會以怎樣的趨勢變化。

   

   2.1 導體移越遠，對電容分佈的影響

   以下是設[Float at Infinity]後處理的結果：

   

   確實看到當導體1越靠近時，互容C₂₃愈小。

   為何導體1就算移到很遠處(1000mm)仍貢獻不小的互電容C₁₂/C₁₃(14.2/13.4fF)? Refer to 3.1

   2.2 導體設float net並移越遠，對電容分佈的影響

以下是設[Float at Infinity]+[Float Net] for Box1後處理的結果：



確實看到當導體1越靠近時，互容C₂₃愈大。

導體1移到很遠處(1000mm)，理應不論設成signal或float net應該都對互容C₂₃沒影響。為何此處看到的互容C₂₃雖然等於不考慮(remove/non-model)導體1的結果(41.4fF)，但不等於2.1得到的34.5fF? Refer to 3.1

3. 問題與討論

   3.1 為何導體1就算移到很遠處(1000mm)仍貢獻不小的互電容C₁₂/C₁₃(14.2/13.4fF)?

   Ans：

   把導體1移到很遠處(一公尺外)，C₁₂/C₁₃仍有14.2/13.4fF，且此時的C₂₃=34.5fF其值並不等於不考慮導體1時的C₂₃=41.4fF。這樣的結果，感覺上並不合理。

   但如果不設[Float at Infinity]，看[Original] reduce matrix，就符合預期：C₁₂/C₁₃變化趨勢合理多了

   

   把導體1移到很遠處時的C₁₂/C₁₃降到幾乎為0，且此時的C₂₃等於不考慮導體1時的C₂₃=27.38fF。

   

   這現象該如何理解??

   當在Q3D內使用[Float at Infinity]時，表示移除默認無窮遠處的參考地，這也意味著Q3D必須在local design的物件內彼此參考，故local design內若有物件被"故意"移的很遠，遠到跟其他物件彼此間幾乎沒有耦合...這種測試條件下，就不能使用[Float at Infinity]。

   換句話說，若模擬的物件彼此間距離遠到幾乎沒有耦合，那必須有一個公正的第三方當"定海神針"來清楚定義出這些相隔很遠的物件彼此間的關係，而這不可或缺的定海神針就是Q3D默認在無窮遠處的參考地(V=0)。也因此，這無窮遠的參考地，就算距離再遠也必須能看到local design內的每個物件，即對每個物件都存在些許互容。

   以下是默認[Original] vs. 設[Float at Infinity]的C matrix：右邊的自容C₁₁只有C₂₂或C₃₃的一半，明顯也不合理

   

   從這案例的研究結果，進一步延伸也"順道"理解了一個Q3D使用者長久以來的潛在疑問：

   Q3D內默認存在於無窮遠的參考地，既然是在無窮遠處，為何還會對local design中的物件貢獻些許互容?

   無窮遠的參考地是幫助Q3D求解技術(MoM矩量法+格林函數)運行的"定海神針"，其對local design中的每個物件的些許耦合量，適足以確保每個物件的自容與互容在任意條件下都可以被正確地考慮它們彼此間的相互關係，這才是我們關心的部分。而不是糾結在既然它無窮遠，為何還有影響?

   3.2 在Box1很近的情況，Original與Float at Infinity的C matrix在此例仍有明顯不同，何者才是對的?

   Ans：

   當Box1很近時，使用Original與Float at Infinity的C matrix的結果雖然不同(C₂₃=34.5 vs. 27.3fF)，但兩種設定得到的結果都是對的，差異只是求解時的邊界條件假設不同。也就是為了維持電荷平衡，無窮遠處有沒有存在V=0的參考地，確實會造成C matrix結果不同。Refer to Float at Infinity

   此例因為結構極簡單，有無Float at Infinity才有明顯差異。實際的PCB或封裝模型的萃取，有無Float at Infinity的差異將會是很小的。

4. 結論

若要問在Q3D內無窮遠的導體會對當前設計的物件貢獻寄生效應(互容)，這是對的嗎? 是預期使用者應看到的行為嗎?

答案其實是"對"，但也"不對"，端看誰是這無窮遠導體。

若這無窮遠的導體是指Q3D內默認的無窮遠參考地，是對的，這現象雖然違反直觀但卻是預期的行為。

若這近似無窮遠的導體是指Q3D求解範圍內的某個設計物件，是不對的，這是使用者錯誤設置(此時不該設float at infinity)導致。