HFSS 3D LAYOUT 用户手册

ANSYS CHINA

目录

手册说明........................................................................................................................................... 4

(一) 第一章 HFSS 3D LAYOUT 概述 .................................................................................. 4

1.1 什么是 HFSS 3D LAYOUT ....................................................................................... 4

1.2 HFSS 3D LAYOUT 与 HFSS 对比一览 ................................................................... 4

(二) 第二章 HFSS 3D LAYOUT 界面 .................................................................................. 6

2.1 整体布局 ....................................................................................................................... 6

2.2 Project Manager 窗口 ............................................................................................ 7

2.3 Layout Edit 窗口 ....................................................................................................... 8

2.4 Layers 窗口 ................................................................................................................. 9

2.5 Components 窗口 .................................................................................................. 10

2.6 Nets 窗口 .................................................................................................................. 11

2.7 Properties 窗口 ...................................................................................................... 12

(三) 第三章 HFSS 3D LAYOUT 模型导入与修改 ............................................................ 14

3.1 PCB 导入与切割 ........................................................................................................ 14

3.2 Layer Stack 修改 ..................................................................................................... 15

3.3 过孔和焊盘的修改 ..................................................................................................... 16

3.4 建立新的 Layout 元素 ............................................................................................. 18

3.5 使用参数化变量 ......................................................................................................... 18

3.6 在 HFSS 3D LAYOUT 中使用 S 参数模型 ............................................................ 20

(四) 第四章 HFSS 3D LAYOUT 边界条件与端口 ............................................................ 23

4.1 空气盒子与辐射边界 ................................................................................................. 23

4.2 Layer Stack 中的边界条件设置 ............................................................................. 24

4.3 HFSS 3D LAYOUT 端口概述 ................................................................................. 25

4.4 Edge 类型端口设置详解 .......................................................................................... 27

4.5 同轴类型端口设置详解 ............................................................................................. 32

4.6 Circuit 端口设置 ....................................................................................................... 35

(五) 第五章 HFSS 3D LAYOUT 求解设置 ........................................................................ 37

5.1 Analysis Setup 详解 .............................................................................................. 37

5.2 Mesh 方法设置 ......................................................................................................... 42

5.3 HPC 并行计算设置 ................................................................................................... 43

(六) 第六章 HFSS 3D LAYOUT 结果查看与后处理 ........................................................ 45

6.1 查看仿真状态 ............................................................................................................. 45

6.2 显示电磁场和网格 ..................................................................................................... 46

6.3 设置差分对 ................................................................................................................. 48

6.4 查看和导出 S 参数 .................................................................................................... 48

6.5 S 参数质量检查 ......................................................................................................... 50

(七) 第七章 HFSS 3D LAYOUT 操作实例视频 ................................................................ 53

手册说明

本手册旨在为具备一定电磁场理论基础和 HFSS使用经验的用户， 提供 HFSS

3D LAYOUT 的使用说明。一些非 HFSS 3D LAYOUT 独有的概念与技术细节（如 Wave

Port，求解频率等），在本手册中未能尽述，需要阅读者额外查询 HFSS和电磁场

理论等相关书籍

本手册所使用的软件版本为 R17.0，其它版本可能会与本手册中的描述略有

不同。

(一) 第一章 HFSS 3D LAYOUT 概述

1.1 什么是 HFSS 3D LAYOUT

HFSS 3D LAYOUT 是 ANSYS 公司推出的专门用于 PCB 和封装的全波三维电磁

场仿真工具，其计算过程完全基于业内领先的电磁仿真软件 HFSS 的有限元算法

内核，同时全新提供了 EDA 风格操作界面和仿真设置流程，更加符合 LAYOUT 行

业的操作习惯，能够显著提升 PCB与封装仿真的设置和求解效率。

在 HFSS 3D LAYOUT 中，具备 LAYOUT 工具中的层（Layer），网络属性（NET）

等概念。物体的分类不是按照材料属性划分，而是按照与 LAYOUT 工具一致的类

型进行划分，这些类型包括过孔（Via），走线(Trace)，平面(Plane)和焊盘（Pad）

等。使用者可以根据这些属性和分类不同，分门别类地进行显示/隐藏控制及操

作修改。除此以外，由于 PCB结构的规整性，HFSS 3D LAYOUT中端口（Port）的

建立流程也极为简便，大部分时候用户只需在要建立端口的位置，选中相应结构

的边缘，即可直接生成端口。

HFSS 3D LAYOUT 中引入了一些新的针对 LAYOUT的仿真设置，如 Phi mesh，

多个求解频率点（Solution frequency），走线横截面形状控制等，让用户可以

更为自由地进行控制。对于只熟悉 HFSS 的老用户而言，还可以直接将 HFSS 3D

LAYOUT仿真项目导出成普通的 HFSS仿真项目，并在 HFSS中进行仿真对比。

总而言之，HFSS 3D LAYOUT 在确保仿真精度与 HFSS一致的同时，很好地弥

补了 HFSS 在 PCB 与封装仿真项目上操作便利性上的不足，能够为用户带来良好

的仿真体验。

1.2 HFSS 3D LAYOUT 与 HFSS 对比一览

HFSS 3D LAYOUT HFSS

核心算法 有限元 有限元

主要应用 PCB与封装电磁仿真 任意结构电磁仿真

网格形状 四面体 四面体

建模方式 导入 Layout文件 导入或直接建模

网格划分方法 针对 PCB特点的 Phi mesh 通用方法

界面风格 EDA风格 CAD风格

参数化 导入的 PCB元素支持参数化 导入模型不支持参数化

电气信息 保留 不保留

端口生成 智能生成 手工绘制

求解类型 Driven Terminal Driven Terminal和 Driven Modal

电磁场后处理功能 基本 完备

器件信息 保留 不保留

是否支持 RLC 器件 支持 通过边界条件有限支持

相互转换 可以转换为 HFSS项目 不可转换为 HFSS 3D Layout项目

边界条件设置 简单 复杂

求解频率 支持多个求解频率 支持一个求解频率

扫频方式 支持插值和离散两种 支持插值，离散和快速三种

物体分类 按电气类型分类 按形状和材料属性分类

工程文件大小 紧凑 较大

(二) 第二章 HFSS 3D LAYOUT 界面

2.1 整体布局

双击 Windows 桌面上的 ANSYS Electronics Desktop 图标（图 2.1.1），打开

Electronics Desktop 界面。注意到此时，软件会默认新建一个空白的项目，然

后在最上方菜单栏处，点击 Project->Insert HFSS 3D Layout Design（图 2.1.2），

即可在当前项目中插入一个空白的 HFSS 3D LAYOUT仿真设计

HFSS 3D LAYOUT 的整体界面如图 2.1.3 所示，主要窗口包括项目管理窗口

（Project Manager）, 属性窗口（Properties）,叠层显示控制窗口（Layers）,

器件管理窗口（Components）,网络显示窗口（Nets）,消息窗口（Message Manger），

仿真进展窗口（Progress）和各项快捷方式按钮。其中，Message Manger 窗口主

要用来反馈仿真过程中的各种信息，如一些警告或者错误提示等.Progress窗口

主要显示当前仿真所处的进度位置，如网格划分阶段或者扫频阶段等。其他几个

窗口的具体内容会在后面详述。

用户可以拖拽各个窗口，将其放置在不同的位置。也可以点击菜单栏中的

View,然后在下拉菜单中的各项窗口名称前打勾（图 2.1.4），从而控制某项窗口

的显示与否。如果用户不小心将 HFSS 3D LAYOUT 的窗体布局搞得过于混乱，那

图 2.1.1

图 2.1.2 插入新的 HFSS 3D LAYOUT 仿真设计

么还可以通过菜单栏中 View->Window Layouts->Default来恢复默认窗口布局。

2.2 Project Manager 窗口

Project Manager 窗口的功能是对各类仿真项目进行设置和管理。在 R17版

本中，ANSYS Electronic Desktop 集成了 HFSS，Q3D，HFSS 3D LAYOUT，Designer，

2D Extractor, Maxwell，RMxprt和 Simplorer 等电磁场与电路模块，全面覆盖

了从高频到低频，功率到信号，器件到系统等不同层次的仿真需求。对于 HFSS

3D LAYOUT仿真项目，其在 Project Manager 中的树状图如图 2.2.1 所示。

图 2.1.3 HFSS 3D LAYOUT 中主要窗口名称

图 2.1.4 控制各项窗口的显示/隐藏

树状结构中各主要项作用如下

Circuit Elements: HFSS 3D LAYOUT 支持 RLC器件和 S参数器件，Circuit

Element是对这些器件的管理。

Boundaries: 空气盒子与辐射边界设置

Excitations:端口与激励相关属性的设置

Analysis:设置仿真选项与扫频

Optimetrics:参数优化与扫描

Results:各种仿真结果显示，如 S参数

Field Overlays:求解域内部的电磁场与网格显示

Far Fields:近场和远场显示

2.3 Layout Edit 窗口

Layout Edit 窗口（图 2.3.1）显示整个 PCB 的形状，默认是自上而下的视

角，用户通过这个界面可以完成视角的变化和物体的选中

图 2.2.1 HFSS 3D LAYOUT 的树状结构图

图 2.3.1 Layout Edit 窗口

旋转视角：按住 Alt键和鼠标左键，然后移动鼠标。

平移视角：按住 Shift键和鼠标左键，然后移动鼠标。

放大/缩小视角：按住 Alt，Shift和鼠标左键，然后移动鼠标。

恢复默认视角：点击右键菜单 View->Reset Orientation 放大叠层显示厚度：右键菜单 View->Stretch Z 显示模式：有三种显示模式，default, sketch 和 solid.可以通过鼠标右键

菜单 View->Display mode 进行设置。其中 sketch模式下，PCB 上的各元素将只

显示轮廓边缘，default 下 PCB各个元素将显示实体，但是实体之间会有透视效

果。Solid 模式下 PCB各个元素将显示实体，且实体之间无透视

选择物体：鼠标左键点击物体本身。

选择 Edge：先在右键菜单中选择 Select Edge，然后鼠标左键点击要选中的

Edge。

框选：按住鼠标左键，拖动鼠标画出矩形框，框内物体都会被选中

循环选择：当出现多个物体重叠在一起时，比如器件与焊盘，会难以选中位

于下方的物体。此时可以先选中其中一个物体，然后按字母键 B，即可对重叠在

一起的物体进行循环选择，直到选中要选中的物体为止。

放弃所有选中物体：同时按 Ctrl，Shift 和字母键 A

2.4 Layers 窗口

Layer 窗口的第一个作用是控制不同层上各元素的显示/隐藏。在图 2.4.1的

红色方框内，共有 6 个图标，分别用来控制相应层不同元素的显示/隐藏。按从

左到右顺序依次是所有元素，Plane，走线，焊盘，过孔和器件，用户可以进行

相应的勾选，以便更好的查看 PCB。

Layer 窗口的第二个作用是设置哪一层为 active 状态。当需要新建立元素

时，新建立的元素将会被默认放置在 active 的层上。修改 active 的层只需点击

图 2.4.2 中红色方框内的相应圆点即可

图 2.4.1 通过 Layers 窗口显示/隐藏 PCB 元素

2.5 Components 窗口

HFSS 3D LAYOUT 在导入 PCB时会同时导入器件信息。Components 窗口的主

要作用是修改器件的属性，包括修改器件本身的类型和设置 RLC 器件的模型。

如果要修改器件本身的类型，可以在 Components 窗口中选中相应器件，然

后在右键菜单 Type 中进行修改

在 HFSS 3D LAYOUT 中，可以直接考虑 RLC器件的效应，使得对电源网络阻

抗或有串联电容的高速链路的仿真变得非常容易。以电容器件建模为例，在

Components窗口中选中一种电容，在右键菜单中选择 Model，进入如图 2.5.2所

示的菜单。可以看到，HFSS 3D LAYOUT 中提供给了三种建模方法，分别是 RLC

network，S parameter model 和 Library。

RLC network：这种方法是默认方法，用户可以为电容设置一阶 RLC 模型，

其中 RLC 之间的关系可以设定为串联或者并联。

S parameter: 为电容指定一个 S参数模型，请注意该 S参数需要是在串联

图 2.4.2 修改层的 Active 状态

图 2.5.1 修改器件类型

模式下测量得到的两端口 S参数文件，并且其数据频率范围需要完全覆盖仿真的

扫频范围。有时候，由于 PCB切割的原因，某些电容器件可能只有一个引脚，这

种电容不要赋予 S参数模型，否则会报管脚数目不匹配的错误。

Library:从 HFSS 3D LAYOUT 自带的电容库中选择一种电容，同样需要注意

的仿真扫频范围不要超过库模型本身的数据频率范围。

从仿真的准确性角度而言，应该尽量选择 S参数模型或者 Library 模型。

2.6 Nets 窗口

Nets 窗口的主要作用是控制不同网络的显示/隐藏。只需先选中网络，然后

在右键菜单中进行选择即可（图 2.6.1）

图 2.5.2 电容器件建模

2.7 Properties 窗口

HFSS 3D LAYOUT 中对物体的修改基本上都是基于属性设置来完成的，因此

Properties 窗口在 HFSS 3D LAYOUT 中是非常重要的。任意选中一个物体，在

Properties 窗口中都会出现该物体独有的各种属性。以走线为例，其属性窗口

如图 2.7.1 所示,包括了走线的宽度（LineWidth）,所在层（PlancementLayer）,

拐角类型（BendType），终端类型(CapType)，总的线长（TotalLength）和各关

键点坐标（Pt0,Pt1,Pt2）。其中一些参数是允许用户修改（如走线宽度），另外

一些参数是软件自动计算得到的（如总的线长）。用户在 Value 中填入的信息除

了数值外，也可以填入变量。通过对这些变量的参数化扫描和优化，能够帮助用

户找到最佳设计尺寸。

图 2.6.1 Net 的显示与隐藏

有些物体，比如 Port，其属性窗口可能包括多个页面（图 2.7.2）,每个页面

可以查看或设置不同类型的信息。

总而言之，HFSS 3D LAYOUT 的建模理念和 HFSS有很大不同，用户不需要自

由地绘制各种图形。因此当用户希望对某 PCB元素进行修改的时候，请务必先查

看属性窗口中是否有提供相应的方法。

图 2.7.1 走线的属性窗口

图 2.7.2 包含 3 个页面的 Port 属性窗口

(三) 第三章 HFSS 3D LAYOUT 模型导入与修改

3.1 PCB 导入与切割

以导入 Allegro 版图文件为例，点击菜单 File->Import->Cadence APD/Allegro/Sip, 选中一个.brd文件，点击确定，稍等便可便会弹出如图 3.1.1

所示界面。在这个界面中用户可以选择要导入的网络，如果要导入那没有网络属

性的金属，请选择 Import Dummy Net。在这个界面中，有 Setup ports 选项，

请不用勾选。

当 PCB导入成功之后，出于提供仿真效率的需要，一般需要对 PCB进行切割。

点击菜单 Layout->Cutout Subdesign，进入图 3.1.2所示菜单。在这个菜单中，

用户可以选择要被保留的网络。一般来说，要保留的信号网络建议仅勾选

Include，而要保留的电源地网络建议还要勾选 Clip at extents。然后点击 Auto Generate Extent 按钮进入图 3.1.3所示界面，来自动生成切割边界（Extent）.

用户可以通过调整界面中的 Expansion 和 Corner style 来控制 extent 的大小

和拐角形状。Extent 的生成规则是，extent 会将仅勾选了 include 了网络全部

包含在内。在图 3.1.3 界面点击 OK后，会在 Layout Edit界面上生成 extent的

形状供查看并返回上一层界面。如果 extent 的大小没有问题，那么再点击 OK，

软件即会开始切割 PCB并将切割后的 PCB单独生成一个 HFSS 3D LAYOUT Design.

切割的时候,extent 内的所有被勾选了 include 的网络会被保留。这样最终切割

效果就是信号网络（仅勾选了 include）会全部保留，电源地网络（还勾选了 Clip at extents）则仅保留 extent内的。

图 3.1.1 选择导入网络

3.2 Layer Stack 修改

点击菜单 Layout->Layers，可以进入叠层修改菜单（图 3.2.1）。主要需要修

改的是各层的材料和厚度。金属层有一项额外的属性 Dielectric Fill，其含义

是指定该层上没有金属的地方是何种介质。如果将来需要多次用到同样的叠层配

置，可以通过图 3.2.1界面中的菜单 Stackup->Import XML/Export XML 来复用

图 3.1.2 选择切割后保留的网络

图 3.1.3 选择切割后保留的网络

叠层设置。

3.3 过孔和焊盘的修改

过孔和焊盘的修改主要通过 Padstack设置来完成。选中任意焊盘或者过孔，

在 Properties 窗口中点击 Padstack Definition 属性，然后选择要修改的

Padstack，进入图 3.3.1所示的菜单。

在图 3.3.1的菜单中，用户可以修改的包括各层焊盘的形状尺寸，反焊盘的

形状尺寸。可以修改过孔的形状，材料和实心率。能够定义焊盘上的需要生成

solder ball及其形状。

通过 Padstack 的 Properties 窗口，用户还可以设置背钻（Backdrill）的

起始位置，如图 3.3.2所示。

图 3.2.1 叠层设置

图 3.3.1 Padstack 设置

图 3.3.2 过孔的 Backdrill 设置

3.4 建立新的 Layout 元素

在 HFSS 3D LAYOUT 中可以新建 LAYOUT 元素一般通过 Draw->Primitive 和

Draw-Via 来完成（图 3.4.1）其中 Line 用于走线， Via 用于新建过孔,其他几

项用于新建各种形状的平面。新建立的元素会被放置在 Active 的层上。

3.5 使用参数化变量

HFSS 3D LAYOUT 同样支持参数化，即用变量来表示属性的值。一般来说，如

果该属性是数值，那么即可使用变量。如图 3.5.1 为例，将走线宽度改为变量

width。

当在图 3.5.1 中的 Linewidth 一栏输入变量 width，便会弹出图 3.5.2

所示对话框，在该对话框中可以设定变量的单位和默认值

图 3.4.1 新建立各种 LAYOUT 元素

图 3.5.1 将走线宽度改为变量 width

设置变量最大的作用在于可以使用优化功能，在 Project Manager 窗口中，

右键点击 Optimetrics， 然后选择 Add->Parametric，新建一个参数扫描分析。

在弹出的图 3.5.3 所示对话框，定义变量 width的扫描范围和步进大小

图 3.5.2 设定变量 width 的单位和默认值

图 3.5.3 设定变量 width 的参数扫描范围和步进大小

3.6 在 HFSS 3D LAYOUT 中使用 S 参数模型

如果仿真的链路中包含多端口无源器件，那么 HFSS 3D LAYOUT 允许用户

使用 S参数模型（也称为 N-Port model）直接进行建模，并在做电磁仿真时

考虑其效应。这项功能避免了过去对无源器件建模必须在器件管脚处建立

Port,然后在电路工具中再考虑器件 S参数模型的繁琐。

首先在 Project Manager 中的 Circuit Elements 右键菜单中选择 Add Nport Model，然后再弹出窗口（图 3.6.1）中选择 S参数文件并定义模型名

称。

在图 3.6.1 中点击 OK后，便可看到 S参数文件以一个 Nport Model 器件

的形式(图 3.6.2)出现在 HFSS 3D LAYOUT 中

图 3.6.1 通过 Create new 按钮新建一个 Nport Model

图 3.6.2 通过 Create new 按钮新建一个 Nport Model

Port1

Port2

Port3

Port4

Port1

Port2Port3

下面要做的是将该 Nport Model的各个端口与 PCB上相应位置连接起来。

这里需要注意的是，Nport Model的端口只能和 PCB上的 Edge 进行连接。为

了完成这个目的，需要如下操作：

在 PCB 上任意空白处单击右键，在右键菜单中选择 Unselect All,确保

没有选中任何物体。

在右键菜单中选择 Select模式，点击 Nport Model的一个端口。如果在

属性窗口中看到的第一项属性是 Type，并且值为 Port Instance（图

3.6.3），表示选择成功，此时还可以在 LAYOUT EDITOR 界面中看到该端

口是高亮显示的。但是有时候，会发现选中的并不是端口，而是整个

Nport Model 器件，此时会看到该器件本身为高亮显示，并且属性窗口

中的第一项是 CoSimulator。如果出现这种情况，请按快捷键 B，便可进

行循环选择，直到选中该端口为止

然后在右键菜单中选择 Select Edges模式，并按住 Ctrl 不放（这样才

图 3.6.3 选中 Nport Model 的一个端口后,属性窗口中的内容

图 3.6.4 选中 Nport Model 本身后,属性窗口中的内容

可以保持 Nport Model 端口本身始终处于选中状态），在 PCB界面上点击

要连接的 Edge。

点击菜单中 Draw->Connection（快捷键 Ctrl+W），完成该端口和 Edge的

连接。在 LAYOUT EDITOR界面上可以看到连接效果如图 3.6.5所示。

图 3.6.3 完成端口和 PCB 的连接

(四) 第四章 HFSS 3D LAYOUT 边界条件与端口

4.1 空气盒子与辐射边界

在 HFSS 3D LAYOUT 中，空气盒子及其上的辐射边界默认便是存在的，不用

专门添加。默认情况下，空气盒子是不显示的，用户可以通过点击菜单栏

Layout->Draw HFSS Air Box，来在 Layout EIDT窗口中显示空气盒子的具体形

状和大小。图 4.1.1展示了隐藏/显示空气盒子的情况下，HFSS 3D LAYOUT中的

显示效果。

用户如果要修改空气盒子的设置，可以点击菜单栏 HFSS 3D Layout->HFSS

Extents...，会弹出图 4.1.2 所示的界面。该界面中的各项主要设置意义如下：

Use radiation boundary:是否在空气盒子表面使用辐射边界。如果选否，

那么空气盒子表面是 PEC。

Type: 空气盒子的形状类型，Bounding Box 表示长方体，Conformal 表示与

PCB 形状一致。

Dielectric 下的 Horizontal：表示 PCB上的介质层向外的扩展因子。当这

个值为无单位的数字时，表示的是按比例扩展。比例基准为原始 PCB尺寸在

X，Y 这 2个方向上较大那个值。当这个值为带单位的数字时，表示的是扩展

的绝对长度。另外，扩展的形状受前述参数 Type控制。

Airbox 下的 Horizontal：控制空气盒子的表面在 X，Y 方向离 PCB 有多远。

当这个值为无单位的数字时，表示的是按比例设置距离。比例基准为介质层

扩展后的 PCB 尺寸在 X，Y 这 2 个方向上较大那个值。当这个值为带单位的

数字时，表示的是绝对长度。

Vertical Positive 和 Negative:分别控制空气盒子的上下表面离 PCB 有多

远。当值为无单位的数字时，表示的是按比例设置距离。比例基准为介质层

扩展后的 PCB 尺寸在 X，Y 这 2 个方向上较大那个值。当这个值为带单位的

数字时，表示的是绝对长度。如果 Sync 选项被选中，那么 Negative无需填

写，将等于 Positive 的值

图 4.1.1 左图为空气盒子为隐藏状态，右图则显示了空气盒子

4.2 Layer Stack 中的边界条件设置

在 Layout Stack 中对边界条件的设置都位于 Analysis区域（图 4.2.1）,包

括 Etch, Rough 和 Solver 三部分.对每一个金属层，都可以分别指定这三项设

置。其具体意义如下

图 4.1.2 空气盒子设置

Etch:控制本层的走线横截面形状。 Rough:设置本层的金属表面粗糙度。

Solver:控制 HFSS 3D LAYOUT 在低频时对本层金属的处理方法。推荐使用 DC thickness 并设置为 Effective，可以在只使用面网格的情况下准确计算金

属的低频损耗（图 4.2.2）

4.3 HFSS 3D LAYOUT 端口概述

HFSS 3D LAYOUT 中，端口类型按照外形划分，主要可以分为三种，分别是

Edge类型端口，同轴类型端口和 Circuit 端口。其中 Edge类型端口主要用于走

线，矩形焊盘位置的端口设置。同轴类型端口主要用于 Solder ball 和圆形焊盘

等位置的端口设置。Circuit端口主要用于与集总器件或者 S参数模型进行连接。

在端口的建立方法上，HFSS 3D LAYOUT 和 HFSS有很大区别。HFSS中一般要

求用户自己绘制端口的形状，然后定义为 Wave Port或者 Lumped Port，因此在

PCB这种仿真项目中建立端口的时候，用户必须计算叠层之间的距离以保证端口

图 4.2.1 Layer Stack 中的边界条件设置（红色方框内）

图 4.2.2 Solver 中的 DC thickness 设置

的边缘正好和 PCB 的上下叠层对齐，导致操作比较繁琐。在 HFSS 3D LAYOUT 中，

用户不再需要绘制端口面的形状，而是基于选择和设置的方法，完成端口建立，

能够节约很多操作。

当一个 Port 建立好之后，点击此 Port，在属性窗口中会有 EM Design 页（图

4.3.1），该页中的信息是 Port的各项电磁属性，用户可以根据需要对 Port的类

型，大小，参考面等进行调整，是 HFSS 3D LAYOUT中对端口进行设置的主要页

面。（该页中的属性内容会根据 Port类型的不同而不同，如尺寸这项参数不会出

现所有 Port类型中）

HFSS 3D LAYOUT 中的 Edge类端口和同轴类端口是按照外形划分的，但是从

本质上来讲，他们都属于 HFSS中的 Wave Port或者 Lumped Port。因此，对于

追求仿真精度的用户，必须首先对 HFSS中的这两种端口有足够了解，然后在 HFSS

3D LAYOUT 中设置端口的时候也要时刻考虑到在具体场景下，到底是哪种端口更

合适。

如果用户要修改端口类型，那么可以点击在图 4.3.1 中的 HFSS Type 参数，

根据 Port 具体位置的不同，可能会出现 Gap，Wave 或者 Circuit 等选项。其中

Gap就是 Lumped Port, Wave表示 Wave Port， Circuit则表示 Circuit端口。

修改之后，用户应该可以看到端口的外形会发生变化（图 4.3.2）。可以看出来

Wave 的端口会大不少。另外一个需要注意的时候，由于 HFSS 有限元内核要求

Wave Port在位于求解区域内部时，必须在背面覆盖一层 PEC以确保传播方向正

确。因此 HFSS 3D LAYOUT 会自动在内部的 Wave端口背面覆盖一层 PEC，用户可

以在 EM Design属性页中修改该 PEC的厚度。

图 4.3.1 Port 各项参数的修改

4.4 Edge 类型端口设置详解

Edge 类型端口是指端口生成过程要求用户必须指定相应的 Edge 的端口，常

用场景包括， 1）走线边缘添加端口；2）矩形焊盘添加端口；3）同层 Edge之

间添加端口。

在走线边缘添加端口

本过程适用于走线是微带线或者带状线等，可以在正上方或正下方找到相应

参考平面的情况。

首先在 Layers 显示控制窗口中，将其它层都隐藏掉，只显示该走线所在的

层。然后在 LAYOUT EDIT 窗口空白处，单击鼠标右键，再弹出菜单中，选择 Select

Edges（图 4.4.1）。

点击单根走线末端的边缘，被选中的边缘一般会高亮显示，然后在右键菜单

中选择 Port->Create，软件就会根据该边缘的宽度，以及到上方或者下方参考

层的距离，建立起相应端口。此时建立起来的端口类型默认是 Gap.此时查看该

端口的属性页（图 4.4.3）,里面包括如下主要信息：

Reference 参数提供了本端口的参考平面的信息。在图 4.4.3 中值为

GND_1_L2:GND:rect_6，由两个冒号分隔为三部分，第一部分表示的信息是参

考平面位于哪一层，第二部分表示该参考平面的 NET名，第三部分表示该参

考平面本身的名字。

Impedance: 指该 Gap（Lumped Port）端口的端口预设阻抗。

Renormalize: 表示仿真结束后把 S参数归一化到多少欧姆。

Orientation：端口的方向，有水平或者垂直两种可能。

对于 Gap端口而言，我们只需重点关注软件找的参考平面是否是我们想要的，

软件本身默认是找上方和下方中最近的面。如果不是，用户可以修改 Reference

参数的值。

图 4.3.2 端口外形变化，左图为 Gap,右图为 Wave

图 4.4.1 只选中 Edge 模式

如果要将该 Gap 端口改为 Wave Port，那么用户只需要属性窗口将 HFSS Type

改为 Wave 即可。修改之后，可以发现属性窗口本身的内容也会发生变化。（图

4.4.4），在底部增加了三项可调参数：

Horizontal Extent Factor:端口水平尺寸扩展因子，当为无单位数时为按

比例拓展。填入的是带长度单位的数字时，表示按此长度拓展。

Vertical Extent Factor:端口垂直尺寸扩展因子，当为无单位数时为按比

例拓展。填入的是带长度单位的数字时，表示按此长度拓展。如果是带状线，

那么无此选项，因为带状线的 Wave Port 高度是确定的。

图 4.4.2 建立端口

图 4.4.3 Gap 端口属性

PEC Launch Width: 设置贴在 Wave Port 背面的 PEC的厚度。

当 2 条走线间距较小时，如果在两条走线上分别设置 Wave Port，那么会导

致这 2 个端口发生交叠，因此正确的做法是只设置一个包括两条走线的 Wave 端

口。为了完成这个操作，用户需要先分别在 2条走线边缘建立起 Gap端口，然后

Layout EDIT界面上同时选中这 2个端口，在右键菜单中选择 Port->Couple Edge Ports，软件便会建立起一个包含 2个 Terminal 的 Wave端口了。

如果遇到走线的边缘不是平的，而是圆形的情况，那么为了方便地选中 Edge，

图 4.4.4 Wave 端口属性

图 4.4.5 建立包括 2 个 Terminal 的 Wave 端口

可以先选中走线本身，然后在属性菜单中将走线参数 StartCapType改为由 Round改为 Flat 即可（图 4.4.6）。

在矩形焊盘上添加端口

在矩形焊盘上添加 Edge 端口的方法与在走线上添加类似，只需选中焊盘的

某条 Edge，然后在右键菜单中点击 Port->Create即可添加出垂直的端口。有时

候，由于器件的 outline 会于焊盘的边缘重合，会导致难以选中 Edge。此时可

以在 Layer 显示控制窗口中，将器件（Components）的显示关闭(图 4.4.7)，便

可从容选中 Edge 了。

在矩形焊盘上添加端口时容易犯的错误操作是，直接选中焊盘本身，然后在

右键菜单中点击 Port->Create。这样建立出来的端口，是一个水平同轴端口，视

觉上看起来是一个圆形（图 4.4.8）。由于此端口的外边缘没有接触到任何参考

导体（仍然接触的是焊盘本身），所以是不正确的。正确建立水平同轴类端口的

场景和方法，会在后面介绍。

图 4.4.6 改变走线边缘的形状

图 4.4.7 隐藏器件以选中焊盘的 Edge

在同层两个 Edge 之间添加端口

如果在 HFSS 3D LAYOUT 无法在被选中 Edge的上下层找到合适的参考平面，

那么端口就会无法生成。此时如果在同层有合适参考网络，那么可以考虑基于在

同层基于 Edge来生成水平端口。这种方法要求用户先选中两条 Edge，然后在右

键菜单中点击 Port->Create，软件会根据这两条 Edge来生成一个水平的 Lumped

端口（图 4.4.9）。用户需要检查以确保端口面上都是均匀介质。

HFSS 3D LAYOUT 的 Lumped 端口技术可以支持非规则的端口形状，因此即使

被选中的两条 Edge 没有对齐或者平行，软件也可以生成端口并正常求解。图

4.4.10展示了一个非规则的端口例子。

图 4.4.8 矩形焊盘上错误的端口

图 4.4.9 基于同层的两条 Edge 建立端口

4.5 同轴类型端口设置详解

同轴类型的端口主要用于批量设置器件引脚的端口，如 BGA 器件等，也可以

用户在过孔处设置端口。由于器件一般包含较多引脚，因此如果每个端口都需要

单独设置，工作量较大。因此对于多引脚的器件，其设置端口的基本思路是:通

过在器件上方或者下方生成 PEC平面，各引脚通过生成 solder ball 与 PEC平面

相连。然后在信号引脚的 solder ball上建立同轴端口，参考为 PEC面。其他参

考信号引脚（如 GND）的 solder ball保持与 PEC连接，这样所有的参考信号引

脚都通过 PEC面短路了起来，形成一个良好的参考面。基于这样的思路，HFSS 3D

LAYOUT中提供了一种方法，能够快速设置器件引脚的同轴端口：

首先查看设置端口的器件类型是否为 IC，如果不是 IC，最好修改为 IC。这

一步可以在 Components 窗口中完成（图 4.5.1）。

图 4.4.10 非规则的同层端口

图 4.5.1 修改器件类型为 IC

然后选中该器件，在属性菜单中点击 Model Info，会弹出如图 4.5.2 的菜

单。菜单可以设置的包括三部分

Die Properties：请选择 Flip chip，然后可以修改 Orientation 来决定该

器件引脚上要生成的 solder ball 的方向。Chip down 是指向上生长，一般

用于该器件位于 PCB 的 Top 层时。如果器件类型没有被设为 IC 的话，此选

项可能不存在，会导致无法控制 solder ball 的方向。

Solder Ball Properties: 用于设置要生成的 solder ball 的形状，尺寸和

材料。

Port Properties：设置连接所有 solder ball 的 PEC面的尺寸和位置。使

用默认参数的话，是指 PEC 面的尺寸和 XY 方向的位置和器件的 Outline 重

合，Z方向坐标是位于 solder ball 的另外一端。

图 4.5.3 展示了经过 Model Info 设置后的器件的外形，可以看到各个管脚

都生成了 solder ball，同时参考的 PEC 面也生成了。需要特别注意的是,到目

前为止所有的 solder ball 都是和 PEC相连的，因此我们必须首先将所有的不需

要建立端口的非参考网络的 solder ball 删除，以免和 PEC短路。然后在需要建

立端口的 solder ball 上建立同轴类型端口，该端口会将 solder ball 和 PEC隔

开。一旦完成这两步之后，剩下与 PEC相连的 solder ball就都是属于参考网络

的。批量删除 solder ball 和批量基于 solder ball 建立端口的方法是类似的，

用户可以通过 Layers 显示控制窗口和 Nets 窗口进行显示/隐藏控制，使得

图 4.5.2 Model Info 菜单

Layout Edit界面上只剩下要被操作的那些 solder ball，然后框选中所有这些

solder ball，执行 Delete或者右键菜单 Port->Create建立起同轴端口。另外

还有一种批量建立同轴端口的方法。在 Components 菜单中，选中要批量建立端

口的器件，在右键菜单里选择 Create Ports on Component,然后在弹出的界面

中（图 4.5.4）选择要建立端口的网络名。如果之前已经通过 Model info 生成

了 solder ball 和 PEC平面，那么 HFSS 3D LAYOUT 就会在被选中网络的 solder

ball上生成同轴端口。

这种同轴端口，在端口属性中的 HFSS Type里的值为 Gap(coax),Reference

的值一般为空,但这并不是说这个端口没有参考。仔细观察的话，可以看到，这

种同轴端口是在 Solder ball 和 PEC 面之间挖出了一个圆环，内圆就是 solder

图 4.5.3 设置了 Model info 的器件视图

图 4.5.4 在器件上批量生成端口

ball，外圆则和 PEC 面接触。这种端口实际上也是一种 Lumped Port,其信号导

体为 solder ball，参考导体外圆所接触的 PEC。

如果在建立同轴端口之前，Solder ball 或者 Via与同层的参考导体之间就

有一定的间隔的话，如反焊盘等。那么请务必注意，此时直接建立出来的同轴端

口的外圆环往往无法接触到真正的参考导体。用户必须在同轴焊盘的属性中修改

Extent Factor属性（比如从 0改为 1），改变同轴端口的半径大小，使得同轴端

口外圆环能够解除到真正的参考导体（图 4.5.5）。修改之后的端口前后对比如

图 4.5.6 所示

4.6 Circuit 端口设置

Circuit 端口的设置很简单，主要有 2 种方法。第一种方法是用户可以任意

选中 2条 Edge，然后点击右键菜单 Port->Create Circuit Ports，即可在这两

个 Edge 之间建立起一个 Circuit 端口。另外一种方法更加灵活，用户先点击右

图 4.5.4 修改同轴端口的大小

图 4.5.6 左图过孔处的红色端口过小，未接触到参考导体(外圈绿色区域)。

右图的红色端口大小合适

键菜单 Port->Create Circuit Ports，然后在要设置端口的地方点击 2个点，

其中第一个点为端口的 Positive端，第二个点为 Negative端，然后在弹出的菜

单（图 4.6.1）中选择 Positive端和 Negative 端的层即可。

Circuit Port 是通过在 Positive端和 Negative端加电流来作为激励的，因

此并不需要求解端口的电磁场。用户需要确保 Circuit Port 大小满足电小尺寸

要求，并考虑该电流激励的位置是否合理。对于 HFSS 3D LAYOUT 软件而言，

Circuit Port虽然足够灵活，但是并非第一选择，用户应该优先使用 Edge端口

和同轴端口。

图 4.5.1 设置 Circuit Port 正负端的所在层

(五) 第五章 HFSS 3D LAYOUT 求解设置

5.1 Analysis Setup 详解

在 Project Manager 窗口中的 HFSS 3D LAYOUT 项目中，右击 Analysis，选

择 Add HFSS Solution Setup,便会弹出如图 5.1.1所示菜单。该菜单包括了 HFSS

3D LAYOUT最主要的仿真设置，一共分为七个页面。大部分情况下，用户只需要

修改 General 页面中的选项即可，其他页面都可以使用默认参数。

General 页面：设置求解频率(Solution Frequency)，网格最大迭代次数（默

认是 10）和收敛判据（默认 0.02）。在下方有一个 Save field 选项，默认

是未勾选。如果仿真结束后需要查看求解频率的场，请勾选。如果只需查看

求解频率处的辐射场，那么请勾选 Save Radiation Field Only，能够节约

保存电磁场所占用的磁盘空间，但是就不能查看空气盒子内的场了。

HFSS 3D LAYOUT 允许用户同时设置多个求解频率，这在宽带仿真或者多频率

器件的仿真中尤为有用。点击图 5.1.1 中红框内的 Advanced 按钮，切换到

界面（图 5.1.2）。在这个界面中，用户除了可以指定若干个求解频率之外，

还可以通过预先定义的 Output Variable 来自定义每个求解频率的收敛条

件。软件最终生成的网格能够在所有求解频率上都满足收敛条件。

图 5.1.1 Analysis Setup 中的 General 页面

Options 页面: 设置初始化网格尺寸与波长的关系（Initial Mesh Option），默认是三分之二波长,除此之外，初始化网格尺寸还和仿真物体的结构细节

有关系；可以设置每次网格加密时增加的网格百分比（Maximum Refinement Per Pass）；可以设置最小网格加密次数（Minimum Number of Passes）和

最小连续收敛次数(Minimum Converged Passes)

Advanced 页面（图 5.1.4）：Form Polygon unions Before meshing,该选项

会在生成网格前先把各个 Plane尽可能组合成一个；Use polygon defeature:简化平面上一些不必要的细节；Mesh as a 3D via 中的 Number of sides 决

定圆形过孔在做网格的时候会被处理成会怎样的正多边形。

图 5.1.2 设置多个求解频率

图 5.1.3 Analysis Setup 中的 Options 页面

Advanced Meshing 页面（图 5.1.5）：主要设置划分网格时对曲线的逼近精

度等。

图 5.1.4 Analysis Setup 中的 Advanced 页面

Solver 页面（图 5.1.6）：Port Options 可以设置 Wave 端口的求解精

度;Modelling Options 设置何时将金属层当做 Sheet处理；Order of Basis可以设置有限元插值基函数的阶数；Enable Iterative Solver决定是否使

用迭代法求解有限元矩阵，不勾选则是使用直接法（Direct Solver）

DC R 页面（图 5.1.7）：如果在扫频时，选择了使用 Q3D求解 DC，那么本页

面就决定 Q3D 求解时的设置，包括最大网格加密次数，最小网格加密次数，

图 5.1.5 Analysis Setup 中的 Advanced Meshing 页面

图 5.1.6 Analysis Setup 中的 Solver 页面

最小连续收敛次数，收敛误差判据和每次网格加密百分比

Defaults 页面(图 5.1.8)：可以将用户在其他页面的设置保存为默认设置

当用户设置完 Analysis Setup 界面，点击确定按钮后，软件会继续弹出扫

频设置界面（图 5.1.9），用户可以设置扫频的起始频率，终止频率，采样点数和

频率间隔方式等；Sweep Type 支持 Interpolating 和 Discrete 两种扫频方式，

如果只需得到 S参数，那么请选 Interpolating 以节约时间；选项 Use Q3D to solve DC point选项可以后台调用 Q3D仿真 DC的解，但是建议不勾选，HFSS 3D

LAYOUT本身的技术已经可以很准确地得到低频和直流时的 S参数了。

Analysis Setup 设置完毕后，可以通过该 Setup右键菜单中的 Export项（图

5.1.10），将 HFSS 3D LAYOUT 仿真项目输出为普通的 HFSS仿真项目,端口和边界

条件都会被保留。

图 5.1.7 Analysis Setup 中的 DC R 页面

图 5.1.8 Analysis Setup 中的 Defaults 页面

5.2 Mesh 方法设置

HFSS 3D LAYOUT 中除了包含 HFSS传统的 Mesh方法之外，还提供了一种全新

的 Phi mesh技术。Phi mesh技术利用了绝大部分 PCB和封装结构上都是分层均

匀的特点，在保持网格数量相当的前提下，极大地缩短了初始化网格的生成时间。

如果仿真项目中包括一些非均匀的三维物体，如 bondwire 等，那么 HFSS 3D

LAYOUT将会使用 HFSS传统的 Mesh方法生成初始化网格。用户可以通过菜单 HFSS 3D LAYOUT->Design Setting 中的 HFSS Meshing Method 页面选择优先使用的网

格划分技术（图 5.2.1）。另外，由于无需生成 CAD类型的结构数据，因此对于复

杂的版图结构，无论在使用哪种网格划分方法，在 HFSS 3D LAYOUT 中的初始化

网格生成的成功率都会高于 HFSS。

图 5.1.9 Frequency Sweep 设置

图 5.1.10 输出 HFSS 仿真项目

5.3 HPC 并行计算设置

点击菜单 Tools->Options->HPC and analysis options,进入 HPC并行计算

设置界面（图 5.3.1），其中已有一个默认的 HPC配置，叫做“Local”。确保 Design

类型为 HFSS 3D Layout Design,然后点击 Add按钮，添加一个新的 HPC配置

图 5.2.1 Mesh 方法设置

图 5.3.1 HPC 设置界面 1

添加新的 HPC配置的界面如图 5.3.2所示，用户可以在 Machine Detail 中选择

一种指定计算机的方式，如本机，IP地址，计算机名等，然后通过 Add Machine to List按钮将该计算机添加到可以用于并行计算的计算机列表中，然后可以指

定该计算机上所能使用 CPU核数和内存百分数。由于在仿真前，用户无法确定本

次仿真单个频点所需消耗的内存大小，因此强烈建议用户勾选 Use Automatic

Settings 选项，这样就无需指定 Tasks 数目。软件会根据计算 Solution

Frequency时占用的内存大小和计算机上所允许使用的总内存大小，自动确定每

次扫频时候的 Task 数目，在确保内存不溢出的前提下，尽量同时仿真更多的频

率点。设置完毕后，点击 OK按钮，完成新增一个 HPC配置。

在仿真开始前，用户应该选择本次仿真所使用的 HPC配置，这可以通过快捷

工具栏中的 Analysis Option 的下拉菜单来完成（图 5.3.3）

图 5.3.2 新增/修改 HPC 配置界面

图 5.3.3 选择本次仿真使用的 HPC 配置

(六) 第六章 HFSS 3D LAYOUT 结果查看与后处理

6.1 查看仿真状态

仿真结束后，仿真状态可以通过 Profile 和 Convergence进行查看。右键点

击项目 Analysis 下的 Setup，选择 Profile 或 Convergence（图 6.1.1），便可

弹出相应页面（图 6.1.2 和图 6.2.3）。其中 Profile 页面主要包含仿真每一步

所消耗的时间，内存，网格数目等信息，Convergence页面主要提供求解频率点

处的收敛状况。

图 6.1.1 查看仿真状态

图 6.1.2 Profile 页面

6.2 显示电磁场和网格

在 HFSS 3D LAYOUT 中,可以通过 Project Manager 窗口下的 Field Overlays和 Far Fields来显示电磁场和网格。如果仿真完毕后发现相应的电磁场显示项

目是灰色的，那么请检查仿真设置中是否有勾选 Save field。

Field Overlays 用于显示求解域内物体上的场。首先选中要查看的物体，然

后点击 Field Overlay->Plot Fields,然后选择要查看的场的类型，然后在弹出

的菜单中确认层和网络（图 6.2.1），点击确定即可在该物体上显示电磁场。

Far Fields 包括两部分功能，分别是显示远场和显示近场。点击 Far Fields->Add Far Field Display,软件将会在界面上显示出 PCB 的三维辐射方

向图（图 6.2.2）。近场显示则点击 Far Fields->Add Near Field Display,在弹

出菜单（图 6.2.3）中设置好要显示近场的平面位置，点击确定，即可在该平面

上显示近场。

图 6.1.3 Convergence 页面

图 6.2.1 设置电磁场显示的层和网络

如果要查看某物体的网格，需要先选中该物体，然后点击 Field

Overlays->Plot Mesh，即可把网格划分情况显示出来（图 6.2.4）。

图 6.2.2 三维远场方向图

图 6.2.3 近场显示平面设置

6.3 设置差分对

点击 Project Manager 中的 Excitations->Differential Pairs，进入差分

对设置菜单（图 6.3.1）。可以通过点击 New pair 来新增一个差分对，也可以通

过 Remove selected 来删除选中的差分对。每个差分对可以单独设置差模和共模

的参考阻抗。一旦设置好之后，在结果查看时，便可以查看差分 S参数了。HFSS

3D LAYOUT支持混合 S参数，可以只将部分端口设置为差分对。

6.4 查看和导出 S 参数

在 Project Manager 窗 口 中 点 击 Results>Create Standard Report->Rectangular Report,即可弹出结果查看界面（图 6.4.1）

首先，用户需要在 Solution中选择要查看 S参数所对应的 Setup，Domain需要选择为 Sweep。如果是查看单端 S 参数，那么 Show 这一项应设为 Terminals，

图 6.2.4 某物体上的网格

图 6.3.1 设置差分对

如果要查看差分 S参数，应设为 Differential pairs。

然后在 Category 中选择 S Parameter，在右边的框中选中要查看哪些 S 参

数，点击 New Report，即可生成 S参数结果（图 6.4.2）。

仿真得到的 S 参数可以直接导出或者转换为 SPICE 电路再导出。右键点击

Project Manager 窗口中 Analysis 下的相应 Setup，在弹出的右键菜单中点击

Matrix Data，进入图 6.4.3所示界面。点击按钮 Export Matrix Data，可以直

接将 S 参数以 Touchstone 格式直接导出。如果要转换为 SPICE 电路导出，请点

击 Equivalent Circuit Export 按钮，软件会先做等效电路转换，再输出为指定

格式的 SPICE电路。等效电路的转换所需时间视 S参数本身的复杂度而定。如果

转换失败，用户可以适当调节转换参数和精度来提高成功率。

图 6.4.1 Rectangular Report 设置界面

图 6.4.2 生成的 S 参数曲线

6.5 S 参数质量检查

任何 S参数，无论是测量还是仿真得到，都必须满足一定的物理特性。一般

来说，对于常见材料制作的 PCB，其 S 参数需要满足无源性，因果性和互易性。

除此以外，根据实际需要，S参数应该包含足够多的采样点点数，同时各采样点

间的幅值和相位差异不应过大。HFSS 3D LAYOUT 自带的 NDE（Network Data

Explorer）工具，能够帮助用户对 S参数质量进行检查。

点击菜单 Tools->Network Data Explorer，进入 NDE界面（图 6.5.1），用

户可以选择一个 S参数文件。在 Quality 一栏中，选择 Matrix statistics，即

可查看 S 参数的相关信息，如最大值，最小值，幅度变化情况，其中最后一项

Passivity（图 6.5.2），即使描述该 S参数是否满足无源性的参数。如果该参数

在某频点大于 1，那么说明该 S参数在该频率点上不满足无源性。当然，如果仅

比 1大一点，那么可能是仿真的数值误差或者测量的校准误差引起的。如果比 1

大很多，那么就需要对该 S参数的获取来源做仔细检查。

图 6.4.3 导出 S 参数或者等效电路

在 NDE 中检查 S 参数的因果性，只需要在导入 S 参数之后，点击 Causality

按钮即可。该检查由于会计算被导入 S参数的实部和虚部之间是否满足希尔伯特

关系，因此可能会花一些时间。一旦检查完成，用户就可以在 Quality 一栏中选

择 Causality Plot 来查看该 S参数是否满足因果性（图 6.5.3）。另外，由于 S

参数本身是离散的点，而希尔伯特变换一般是定义在连续函数上的，因此要想准

确检查因果性，S 参数本身的采样点应该尽可能密集。

图 6.5.1 NDE 工具界面

图 6.5.2 无源性（Passivity）检查

图 6.5.3 因果性（Causality）检查

(七) 第七章 HFSS 3D LAYOUT 操作实例视频

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HFSS 3D LAYOUT 在 PCB与封装上的应用

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