申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2018-05-04

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN108448244B

主分类号：H01Q1/38

分类号：H01Q1/38;H01Q15/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2018.09.18#实质审查的生效;2018.08.24#公开

摘要：本发明公开了一种工作于BDS‑1S的紧凑型全向圆极化可重构天线，包含上层介质基板、下层介质基板、N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘、圆形接地板、N个金属柱、同轴馈电探针和一分N功分器；N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片交错间隔贴装在上层介质基板上表面形成环状，其间通过射频开关二极管电气相连，相邻射频开关二极管的偏置方向一致。本发明全向圆极化辐射性能好、能实现全向的左右旋圆极化切换、损耗小、结构紧凑、易于加工、成本低廉，解决了现有技术中全向左右旋圆极化可重构天线结构复杂，射频开关二极管较多引入损耗大的问题。

主权项：1.一种工作于BDS-1S的紧凑型全向圆极化可重构天线，其特征在于，包含上层介质基板、下层介质基板、N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘、圆形接地板、N个金属柱、同轴馈电探针和一分N功分器，N为大于等于3的自然数；所述上层介质基板、下层介质基板均为圆形，同轴设置；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘贴装在所述上层介质基板的上表面；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片半径相同，交错间隔贴装成环状，且长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间的距离均相等；所述长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间通过射频开关二极管电气相连，且相邻射频开关二极管的偏置方向一致；所述N+1个焊盘中的N个焊盘通过N个蛇形走线电感分别和所述N个长圆弧形辐射贴片的等角平分线位置对应相连，该N个焊盘和外界直流电源的一端电气相连；所述N+1个焊盘中剩余的焊盘通过1个蛇形走线电感和任意一个短圆弧形辐射贴片的等角平分线位置相连，该焊盘和外界直流电源的另一端电气相连；所述上层介质基板在所述N个短圆弧形辐射贴片处对应设有N个供所述金属柱穿过的通孔；所述一分N功分器包含N个长条形贴片，所述N个长条形贴片在同一平面上、一端均相连、另一端发散，且相邻长条形贴片之间的夹角相等；所述一分N功分器贴装在所述下层介质基板的上表面，其中心和下层介质基板的圆心重合；所述N个金属柱设置在上层介质基板、下层介质基板之间；N个金属柱的一端分别穿过上层介质基板上的通孔和N个短圆弧形辐射贴片一一对应焊接，另一端和所述N个长条形贴片远离下层介质基板圆心的一端一一对应焊接；所述圆形接地板贴装在所述下层介质基板的下表面，且圆形接地板和下层介质基板同轴；所述下层介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔，圆形接地板上的通孔半径大于下层介质基板上的通孔半径；所述一分N功分器的中心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔；所述同轴馈电探针的内导体依次穿过所述圆形接地板圆心处的通孔、下层介质基板圆心处的通孔和所述一分N功分器中心处的过孔相连；所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。

全文数据：一种工作于BDS-1S的紧凑型全向圆极化可重构天线技术领域[0001]本发明涉及微波技术领域，尤其涉及一种紧凑型全向左右旋圆极化可重构天线。背景技术[0002]全向圆极化天线在高速运动甚至剧烈摆动或滚动的物体如航天器、飞机、汽车）上，可以在任何运动状态下接受到无线电信号;在广播电视系统中，能够有效扩大信号覆盖范围，并在一定程度上克服重影重音。圆极化波为一等幅旋转场，可以分解为两个幅度相等、相位相差90度的线极化波。圆极化信号可以被各种线极化天线接收，同时圆极化天线可以接收任何线极化来波，而左右旋圆极化天线不能接收右左）圆极化波。因此设计结构简单、馈电方便的全向左右旋圆极化可重构天线具有重大的理论意义和工程价值。[0003]目前国内外对全向左右旋圆极化可重构天线的研究较少。专利文件201120020320.5提出了一种左右旋圆极化可重构天线，其主要技术方案是提供一种左右旋圆极化可重构的低轮廓背腔天线，但是该方法不能实现全向福射。2016年，Yuan-MingCai等人在IEEETransactionsonAntennasandPropagation上发表了“Compact-SizeLow-ProfiIeffidebandCircularlyPolarizedOmnidirectionalPatchAntennaWithReconfigurablePolarizations”，在天线接地板刻蚀弯曲槽中加入24个射频开关二极管。2013年，BoLi等人在IEEEAntennaandWirelessPropagationLetters上发表了aPolarization-ReconfigurableOmnidirectionalAntennaCombiningDipoleandLoopRadiators”，结合偶极子和环形天线，利用48个开关二极管实现圆极化重构。两款天线使用了较多的开关二极管增加了天线损耗。2015年，YiFan等人在AP-S上发表了“PolarizationReconfigurableOmnidirectionalAntennaUsingCrossedDipoles’’，用16个开关二极管改变倾斜偶极子的通断，但非低剖面结构，不能适用于很多需要低剖面结构的系统。发明内容[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中全向左右旋圆极化可重构天线结构复杂、射频开关二极管和集总电感元件较多引入损耗大的问题，提供工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线，其全向圆极化福射性能良好，结构紧凑，左右旋模式切换简单。[0005]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线，包含上层介质基板、下层介质基板、N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘、圆形接地板、N个金属柱、同轴馈电探针和一分N功分器，N为大于等于3的自然数；所述上层介质基板、下层介质基板均为圆形，同轴设置；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘贴装在所述上层介质基板的上表面；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片半径相同，交错间隔贴装成环状，且长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间的距离均相等；所述长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间通过射频开关二极管电气相连，且相邻射频开关二极管的偏置方向一致；所述N+1个焊盘中的N个焊盘通过N个蛇形走线电感分别和所述N个长圆弧形辐射贴片的等角平分线位置对应相连，该N个焊盘和外界直流电源的一端电气相连;所述N+1个焊盘中剩余的焊盘通过1个蛇形走线电感和任意一个短圆弧形辐射贴片的等角平分线位置相连，该焊盘和外界直流电源的另一端电气相连；所述上层介质基板在所述N个短圆弧形辐射贴片处对应设有N个供所述金属柱穿过的通孔；所述一分N功分器包含N个长条形贴片，所述N个长条形贴片在同一平面上、一端均相连、另一端发散，且相邻长条形贴片之间的夹角相等；所述一分N功分器贴装在所述下层介质基板的上表面，其中心和下层介质基板的圆心重合；所述N个金属柱设置在上层介质基板、下层介质基板之间;N个金属柱的一端分别穿过上层介质基板上的通孔和N个短圆弧形辐射贴片一一对应焊接，另一端和所述N个长条形贴片远离下层介质基板圆心的一端一一对应焊接；所述圆形接地板贴装在所述下层介质基板的下表面，且圆形接地板和下层介质基板同轴；所述下层介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔，圆形接地板上的通孔半径大于下层介质基板上的通孔半径；所述一分三功分器的中心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔；所述同轴馈电探针的内导体依次穿过所述下层介质基板圆心处的通孔、圆形接地板圆心处的通孔和所述一分三功分器中心处的过孔相连；所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。[0006]作为本发明一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线进一步的优化方案，N的值为3。[0007]作为本发明一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线进一步的优化方案，所述金属柱的高度大于上层介质基板、下层介质基板的厚度之和。[0008]作为本发明一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线进一步的优化方案，所述金属柱的轴线分别和所述上层介质基板、下层介质基板垂直。[0009]工作时，金属柱上电流产生垂直极化波，在远场形成全向垂直极化辐射，长圆弧形辐射贴片和短圆弧形辐射贴片上电流形成水平方向的电流环，在远场形成全向水平极化辐射。金属柱与长圆弧形辐射贴片和短圆弧形辐射贴片形成固有的约为90度的相位差，调节天线尺寸满足垂直方向和水平方向电场的幅值比值接近1，则满足了圆极化形成的条件:两个正交分量的幅值相等，相位相差90度。通过改变直流偏置电路的正负电压切换射频开关二极管的截止或导通状态。当与N个长圆弧形辐射贴片对应的焊盘相连的直流电源端电压满足射频开关二极管的正向偏压电压时，天线工作于全向左旋圆极化模式，当与N个长圆弧形辐射贴片对应的焊盘相连的直流电源端电压满足射频开关二极管的反向偏压电压时，天线工作于全向右旋圆极化模式。[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：a.该新型全向左右旋圆极化可重构天线除金属柱外均为平面微带贴片结构，用蛇形走线分布式电感替代了集总电感阻隔交流信号，PCB制版工艺即可加工，易于集成。[0011]b.该新型全向左右旋圆极化可重构天线只需正负单电压同时控制2N个射频开关二极管，与已有的全向左右旋圆极化可重构天线相比减小了加工复杂度和天线损耗。[0012]c.该新型全向左右旋圆极化可重构天线结构简单，引入集总元件少，N个长圆弧形辐射贴片和N个短弧形贴片和N个射频开关二极管形成一个圆环，使天线结构紧凑的同时有良好的全向圆极化福射性能。附图说明[0013]图1为本发明的结构分层示意图；图2为本发明的结构示意图；图3为本发明的俯视图；图4为本发明中一分三功分器和下层介质基板配合的结构示意图；图5为本发明中圆形接地板和下层介质基板配合的结构示意图；图6为本发明实施例在左旋圆极化状态时2.4GHz-2.6GHz频率范围内的回波损耗图；图7为本发明实施例在左旋圆极化状态时2.4GHz-2.6GHz频率范围内的回波损耗图；图8为本发明实施例在KS-1S中心频率点时左旋圆极化在水平面的轴比图；图9为本发明实施例在KS-1S中心频率点时右旋圆极化在水平面的轴比图；图10为本发明实施例在KS-1S中心频率点时左旋圆极化在垂直面的辐射方向图；图11为本发明实施例在KS-1S中心频率点时左旋圆极化在水平面的辐射方向图；图12为本发明实施例在KS-1S中心频率点时右旋圆极化在垂直面的辐射方向图；图13为本发明实施例在KS-1S中心频率点时右旋圆极化在水平面的辐射方向图。[0014]图中，1-长圆弧形辐射贴片，2-短圆弧形辐射贴片，3-蛇形走线电感，4-焊盘，5-短射频开关二极管，6-上层介质基板，7-上层介质基板上的通孔，8-金属柱，9-一分N功分器，10-下层介质基板，11-下层介质基板圆心处的通孔，12-圆形接地板，13-圆形接地板圆心处的通孔，14-同轴馈电探针，15-同轴馈电探针的内导体，16-同轴馈电探针的外导体。具体实施方式[0015]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：如图1、图2所示，本发明公开了一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线，包含上层介质基板、下层介质基板、N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘、圆形接地板、N个金属柱、同轴馈电探针和一分N功分器，N为大于等于3的自然数；所述上层介质基板、下层介质基板均为圆形，同轴设置。[0016]如图3所示，所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘贴装在所述上层介质基板的上表面；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片半径相同，交错间隔贴装成环状，且长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间的距离均相等；所述长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间通过射频开关二极管电气相连，且相邻射频开关二极管的偏置方向一致；所述N+1个焊盘中的N个焊盘通过N个蛇形走线电感分别和所述N个长圆弧形辐射贴片的等角平分线位置对应相连，该N个焊盘和外界直流电源的一端电气相连;所述N+1个焊盘中剩余的焊盘通过1个蛇形走线电感和任意一个短圆弧形辐射贴片的等角平分线位置相连，该焊盘和外界直流电源的另一端电气相连；所述上层介质基板在所述N个短圆弧形辐射贴片处对应设有N个供所述金属柱穿过的通孔。[0017]如图4所示，所述一分N功分器包含N个长条形贴片，所述N个长条形贴片在同一平面上、一端均相连、另一端发散，且相邻长条形贴片之间的夹角相等；所述一分N功分器贴装在所述下层介质基板的上表面，其中心和下层介质基板的圆心重合；所述N个金属柱设置在上层介质基板、下层介质基板之间;N个金属柱的一端分别穿过上层介质基板上的通孔和N个短圆弧形辐射贴片一一对应焊接，另一端和所述N个长条形贴片远离下层介质基板圆心的一端一一对应焊接。[0018]如图5所示，所述圆形接地板贴装在所述下层介质基板的下表面，且圆形接地板和下层介质基板同轴；所述下层介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔，圆形接地板上的通孔半径大于下层介质基板上的通孔半径；所述一分三功分器的中心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔；所述同轴馈电探针的内导体依次穿过所述下层介质基板圆心处的通孔、圆形接地板圆心处的通孔和所述一分三功分器中心处的过孔相连；所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。[0019]所述金属柱高度优先大于上下层介质基板厚度之和，N的值优先为3,上下层介质基板所在平面与N个金属柱轴线之间的角度优先为90度。[0020]下面以N为3时举例说明：工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线包括厚度均为0.8mm，半径为19.7mm的上下层介质基板、上层介质基板上表面贴装的长圆弧形辐射贴片和短圆弧形辐射贴片，下层介质基板上表面贴装一分三功分器，下表面贴装圆形接地板，且所有中心轴线相重合；上层介质基板上表面贴装外半径为15.2mm，内半径为12.2mm的长圆弧形福射贴片和短圆弧形辐射贴片，长圆弧辐射贴片的弧度为84度，短圆弧辐射贴片的弧度为10度，长圆弧辐射贴片与短圆弧辐射贴片间焊接射频开关二极管的弧度间距为8度；下层介质基板上表面贴装三个中心旋转对称120度组合而成的一分三功分器，单个功分器的宽度为2.5mm，长度为14.7_，下层介质基板下表面贴装半径为15.5mm的圆形接地板；上层介质基板上表面贴片、下层介质基板上下表面贴片均为介质基板表面的覆金属层，金属层厚度为0.035mm;贯穿上层介质基板和短圆弧形福射贴片有三个半径为0.75mm的金属柱，每个金属柱连接一分三功分器末端，每个金属柱之间的间隔角度为120度，金属柱圆面中心轴线与下层介质基板圆面中心轴线距离为13.7mm;长圆弧形辐射贴片与短圆弧形贴片间通过六个射频开关二极管相连，单个长圆弧形辐射贴片两端分别通过连接两个射频开关二极管连接相邻的两个短圆弧形辐射贴片，射频开关二极管的正向压降方向为逆时针排布；上层介质基板上表面的四个蛇形走线电感形状大小均一致，其中三个蛇形走线电感一端与三个长圆弧形辐射贴片外圆弧等角平分线位置相连，另一端与三个焊盘相连。另一个蛇形走线电感一端与三个短圆弧形辐射贴片任意一个外圆弧等角平分线位置连接，另一端与一个焊盘相连，焊盘的尺寸为1.5mmX1.5mm;一分三功分器的中心、圆形接地板的中心之间，贯通设置有同轴馈电探针，同轴馈电探针为标准SMA射频接头，包括内导体和外导体，内外导体之间为绝缘材料，所述内导体贯通圆形接地板中心和下层介质基板中心，过孔连接到一分三功分器中心，一分三功分器中心为馈电点，所述外导体与圆形接地板相连接。[0021]具体结构几何参数如下：其中Rl为长圆弧形辐射贴片和短圆弧形辐射贴片外弧距离上层介质基板圆心轴线的半径，R2为长圆弧形辐射贴片和短圆弧形辐射贴片内弧距离上层介质基板圆心轴线的半径，R3为上层介质基板半径，R4为上层介质基板过孔圆心轴线距离上层介质基板圆心轴线的半径，R5为下层介质基板半径，R6为圆形接地板半径，R7为圆形接地板中心过孔半径，Θ1为长圆弧形辐射贴片弧度，Θ2为长圆弧形辐射贴片与短圆弧形辐射贴片间弧度，Θ3为短圆弧辐射贴片弧度，时为一分三功分器每个功分器旋转对称的角度，Hl为上层介质基板厚度，H2为金属柱高度，H3为下层介质基板厚度，Ll为一分三功分器每个功分器的长度，Wl为一分三功分器每个功分器的宽度。[0022]该工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线的具体制造过程为：首先选取对应参数的介质基板，上层介质基板为单面覆金属层板，下层介质基板为双面覆金属层板。在上层介质基板上表面金属层制造长圆弧形辐射贴片、短圆弧形辐射贴片、蛇形走线电感和焊盘，在下层介质基板上表面金属层制造一分三功分器，下表面制造圆形接地板。将6个射频开关二极管以每个正向偏压状态为逆时针方向焊接在长圆弧辐射贴片与短圆弧辐射贴片之间的空隙位置。金属柱下端与一分三功分器三个末端焊接，上端贯穿上层介质基板与短圆弧形辐射贴片焊接。同轴馈电探针的内导体贯通圆形接地板中心和下层介质基板中心，通过过孔焊接到一分三功分器中心，一分三功分器中心为馈电点，同轴馈电探针外导体与圆形接地板焊接。将三根导线分别与上层介质基板上表面长圆弧形辐射贴片对应的的三个焊盘焊接后合为一根导线，与直流电源一端连接，直流电源另一端与上层介质基板上表面短圆弧辐射贴片对应的焊盘焊接，构成完整的全向左右旋圆极化可重构天线。[0023]图6图7为本发明实施例在左旋圆极化状态时2.4GHz-2.6GHz频率范围内的回波损耗图，-10dB阻抗带宽为2.448GHz-2.528GHz，中心频点为2.492GHz。图8和图9为本发明实施例在BDS-IS中心频率时左右旋圆极化水平面的全向轴比图，平均轴比分别为2.32dB和2.34dB。图10、图11、图12、图13为本发明实施例在BDS-IS中心频率时垂直面和水平面的增益方向图，左右旋圆极化时水平面平均增益分别为1.81dBi和1.80dBi，全向不圆度0.03dB和0.04dB，交叉极化比平均值分别为17.5dB和17.4dB。[0024]本发明全向圆极化辐射性能良好、能实现全向的左右旋圆极化的动态切换、结构简单紧凑，垂直极化和水平极化对应的电场幅值可以单独调节。整个天线可完全由普通的平面电路加工工艺实现易于加工、成本低廉，解决了现有技术中全向左右旋圆极化可重构天线结构复杂，射频开关二极管、集总电感较多引入损耗大的问题。[0025]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。[0026]以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线，其特征在于，包含上层介质基板、下层介质基板、N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、2N个射频开关二极管、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘、圆形接地板、N个金属柱、同轴馈电探针和一分N功分器，N为大于等于3的自然数；所述上层介质基板、下层介质基板均为圆形，同轴设置；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片、N+1个蛇形走线电感、N+1个焊盘贴装在所述上层介质基板的上表面；所述N个长圆弧形辐射贴片、N个短圆弧形辐射贴片半径相同，交错间隔贴装成环状，且长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间的距离均相等；所述长圆弧形辐射贴片和相邻短圆弧形辐射贴片之间通过射频开关二极管电气相连，且相邻射频开关二极管的偏置方向一致；所述N+1个焊盘中的N个焊盘通过N个蛇形走线电感分别和所述N个长圆弧形辐射贴片的等角平分线位置对应相连，该N个焊盘和外界直流电源的一端电气相连;所述N+1个焊盘中剩余的焊盘通过1个蛇形走线电感和任意一个短圆弧形辐射贴片的等角平分线位置相连，该焊盘和外界直流电源的另一端电气相连；所述上层介质基板在所述N个短圆弧形辐射贴片处对应设有N个供所述金属柱穿过的通孔；所述一分N功分器包含N个长条形贴片，所述N个长条形贴片在同一平面上、一端均相连、另一端发散，且相邻长条形贴片之间的夹角相等；所述一分N功分器贴装在所述下层介质基板的上表面，其中心和下层介质基板的圆心重合；所述N个金属柱设置在上层介质基板、下层介质基板之间；N个金属柱的一端分别穿过上层介质基板上的通孔和N个短圆弧形辐射贴片一一对应焊接，另一端和所述N个长条形贴片远离下层介质基板圆心的一端一一对应焊接；所述圆形接地板贴装在所述下层介质基板的下表面，且圆形接地板和下层介质基板同轴；所述下层介质基板、圆形接地板的圆心处均设有供所述同轴馈电探针内导体穿过的通孔，圆形接地板上的通孔半径大于下层介质基板上的通孔半径；所述一分三功分器的中心处设有用于和所述同轴馈电探针内导体相连的过孔；所述同轴馈电探针的内导体依次穿过所述下层介质基板圆心处的通孔、圆形接地板圆心处的通孔和所述一分三功分器中心处的过孔相连；所述同轴馈电探针的外导体与圆形接地板相连。2.根据权利要求1所述的工作于BDS-IS的紧凑型全向圆极化可重构天线，其特征在于，N的值为3。3.根据权利要求1所述的低剖面全向左右旋圆极化可重构天线，其特征在于，所述金属柱的高度大于上层介质基板、下层介质基板的厚度之和。4.根据权利要求1所述的低剖面全向左右旋圆极化可重构天线，其特征在于，所述金属柱的轴线分别和所述上层介质基板、下层介质基板垂直。

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