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Home > ANSYS Q3D 教學 > Advanced Q3D Usage -- RM Ground Net and Return Path
本文始於2017.11，以R18.2 Q3D\HFSS與兩個via的簡單結構，說明為何Q3D內不同的後處理(Reduce Matrix)設定，會得到不同的RLC結果，並且進一步分析Q2D產生的W-element model與SNP model在此例呈現差異的原因。The article started in 2017.11. It used R18.2 Q3D\HFSS and a two-via simple example to explain the different post process (Reduce Matrix) will get different RLC result. Furthermore, for this case, discuss what reason causes the W-element and S-parameter model of Q2D a bit of difference.
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Assign [Ground Net] is not equal to reduce matrix [Ground Net] for AC_RL
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Q3D vs. Q2D
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問題與討論Q&A
5.1 Loop L一定大於Partial L嗎? Is loop L always larger then partial L?
5.2 為何在Q3D內指定Ground Net不影響相鄰訊號線(sig)的電容? Why does setting Ground Net in Q3D not affect the C of the adjacent signal line?
5.3 Q3D與Q2D(SI2D)在求解設定，與可求解範圍都不同，為什麼? Why are the settings and workable frequency range of Q3D and Q2D different?
5.4 既然電壓與電流不影響電容，為何RM [Return Path]卻會影響C? Why does RM [Return Path] affect C matrix?
5.5 為何RM [Ground Net]不影響C，但RM [Floating Net]卻會影響C? Why does RM [Ground Net] not affect C, but RM [Floating Net] does?
5.6 為何HFSS得到的loop RL與Q3D with return path得到的loop RL有時不同? Why are the HFSS loop RL and that got from Q3D return path sometimes different?
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Reference
- Assign
[Ground Net] is not equal to reduce matrix [Ground Net]
for AC_RL
1.1 Assign [Ground Net] type
Assign [Ground Net] type表示該導體(gnd)電位為零(V=0)，且該導體被相鄰導體(sig)所影響而產生的感應電荷，因為本身(gnd)無定義sink\source，所以只有固定的感應電荷在其表面被考慮而沒有感應電流的流動。所以這設定不會影響AC RL。
1.2 RM [Ground Net]
RM [Ground Net]表示該導體電位為零(V=0)，並且該導體被相鄰導體所影響而產生的感應電流，會依所定義的sink\source方向而流動。所以這設定會影響AC RL (但不影響DC RL)。
若RM [Ground Net]所處理的該net本身沒有定義sink\source，則Assign [Ground Net] type與RM [Ground Net]會得到同樣的結果。
以下是HELP內的說明：
For inductance and resistance matrices, when a conductor is grounded, its source terminals are connected to its sink terminal. Current can flow in the newly created loops due to fields induced by the surrounding conductors. The fields produced by this loop affect voltage drops observed in surrounding conductors. Thus, the inductance matrix of the remaining conductors is altered by this operation.
對於DC RLC，以上兩種設定方式結果幾乎相同，皆不影響值。只有[Return Path]會影響DC RL, refer to 3.1。
對於AC RL，有定義sink\source的RM [Ground Net]方式，才會大幅影響值。也就是說：如果沒有定義sink\source，設定[Ground Net] type與使用後處理RM [Ground Net]的結果，在網格足夠的前提下結果會是一樣的。
對於觸控應用(只在意DC RC)，使用Assign [Ground Net] type、RM [Ground Net]，甚至都不使用，結果皆相同。這就是為什麼我們做觸控或指紋辨識模擬時，不管代表手指的銅棒有沒有設接地，得到的互容值都是一樣的。如果要設ground net，則會建議用RM [Ground Net]，雖然有時求解時間較長，但相對其mesh質量較高，對於某些複雜的例子，C準度會較好(refer to here)。又對於SI應用，只有帶sink\source的RM [Ground Net]會影響AC RL。
如果要設local reference，建議使用RM [Floating at Infinity] + RM [Ground Net] (次序不能顛倒) 或RM [Return Path]，兩者作用不同(後者對RLC影響較大)，而大部分時候(export model)是連用都不需使用。Refer to here
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Reduce matrix [Ground net] is different from [Return path]
RM [Return Path]表示將sig上的"全部"電流，經[Return Path]"強制"迴流。Q3D的[Return Path]僅以指定的迴路區域為考慮來計算Loop RL，這表示你如果無法指定正確的電流迴流區域，或指定的迴路區域不完整，就無法透過Q3D [Return Path]得到正確的Loop RL。
以下是HELP內的說明：
If you identify a net as a current return path, the total current exiting from the sink terminals on the remaining conductors returns inside the selected conductor. This total current is forced into the sink terminal of the return path conductor and re-emerges from the source terminal. ... Current flow in the conductor specified as the return path is automatically reversed. Specifying a return path does not simulate the effect of the full current loop. The effect of returning current on the partial inductance and resistance matrices is confined to the region being modeled and does not include the rest of the loop.
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Q3D vs. Q2D
3.1 Two Vias
同1,2題目，如果改成Q2D做，與Q3D內1mm長度算出來的RLC做比較：
在Q3D內使用RM Return Path的結果與Q2D結果接近。 這是因為此例中，大部分的return current都是從相鄰的唯一via迴流。
3.2 Transmission Line
在Q3D內使用RM Return Path的結果與Q2D結果非常接近。 這是因為此例中，大部分的return current都是從正下方參考地迴流 ，且實際迴流的地迴路形狀與大小都與Q3D內所示相同。
Q3D與HFSS結果非常接近，差異僅0.003dB。請注意Q3D使用頻寬不能超過1/10波長。
Q2D的結果就要特別留意，當使用Q2D S-parameter model時，結果與Q3D完全相同，但使用W-element model時，則有一些差異。
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問題與討論Q&A
5.1 Loop L一定大於Partial L嗎?
Ans：No
本文3.1例子的Loop L>Partial L，相信大家沒什麼問題。但同軸電覽或傳輸線的例子，就會看到Loop L@Partial L，甚至Loop L小於Partial L的狀況，如本文3.2所示。 這是因為Loop L從Partial L得來的公式如下所示：
Loop L = L1+L2-2*L12 (這裡的L1、L2是partial自感，L12是partial互感)
以傳輸線來說，訊號線本身的自感(L1)較地迴路的自感(L2)大，又良好的傳輸線地迴路都在訊號線很近的正下方，也就是兩者的互感(L12)不會太小，所以L2@2*L12甚至L2<2*L12都 是有可能發生的。
5.2 為何在Q3D內指定Ground Net不影響相鄰訊號線(sig)的電容?
Ans：電容是由導體結構與介質材料所決定(C=e*A/d)的單位電壓下蓄電荷的能力(Q=CV)，所以訊號線旁邊的導體，電壓為0V或10V，雖然影響其感應電荷，但並不影響其本身的電容性。
5.3 Q3D與Q2D(SI2D)在求解設定，與可求解範圍都不同，為什麼?
Ans：Q3D是靜磁場求解器(quasi-static solver)，而Q2D(SI2D)卻是跟HFSS相同的全波求解器(full-wave solve)。
Q3D有1/10波長的求解頻寬限制、沒有解空間場、求解前不須先設定reference、直接求解Partial RL (Loop RL只能透過後處理得到)。
Q2D沒有求解頻寬的限制、可解空間場、求解前必須先設定reference、直接求解得到Loop RL (無法分離出partial RL，沒有也不需要任何後處理功能)。
5.4 既然電壓與電流不影響電容，為何RM [Return Path]卻會影響C?
Ans：
Q3D求解電容矩陣並不需要設定導體電壓與指定sink\source，也就是導體的電壓與電流條件並不影響C matrix，但為何RM [Return Path]卻會影響C呢? 各位看官，公布答案前，您想得通嗎? Please figure it out by yourself first.
查詢HELP內的說明：RM [Return Path]就是指定一導體當全部電流強制迴流的路徑，並沒說明對C會有何影響；我們也知道Q3D默認在無窮遠處有參考地，而這條件可以靠RM [Floating at Infinity]來移除。把這兩件事聯結起來，請看以下結果：RM [Return Path]對電容的影響，就跟RM [Floating at Infinity]對電容的影響一樣。也就是當指定一導體為完全電流迴流的路徑，該導體也就是理所當然的LOCAL reference。
5.5 為何RM [Ground Net]不影響C，但RM [Floating Net]卻會影響C?
Ans：我們不是才說只有導體結構與介質材料會影響C嗎? 那為什麼設RM [Floating Net]卻會影響C?
RM [Ground Net]是讓該導體的電位V=0，而RM [Floating Net]卻是讓該導體的電荷Q=0，這意味著其永遠保持電荷平衡(電中性)，它與別人之間沒有電力線起始與結束，它只是電力線的中繼站\跳板 。[3]
以下示意圖說明：沒有接地的floating guard trace，反而會造成更嚴重的crosstalk
5.6 為何HFSS得到的loop RL與Q3D with return path得到的loop RL有時不同?
Ans：答案就在本文第二段，中文說明或綠色英文說明 。關鍵是：HFSS可以自己判斷\計算出return current是怎麼流的[5]，但Q3D必須靠user定義。
5.7 同樣是靜磁場求解器，為何Q3D求解電容不需設電壓條件，而Maxwell卻需要?
Ans： 在Maxwell對導體設定電壓後才解電容，相當於是設定電磁場的激發源(邊界)條件，影響的是自動化布網格(adaptive refine mesh)過程，所以本文另一篇文章有提到， 以Maxwell解C時，最好設適當的電壓分佈(導體間有電壓差)，會比較好收斂。Q3D採用其他技術來得到精準的自動化佈網格結果，使用者無須擔心電壓設定方式是否影響網格分佈。 讚!!
[1] 電容與電壓無關