BRPI0801839B1 - Aparelho de antena polarizada dupla para um dispositivo de rádio e método para a transdução de energia de sinal em um dispositivo de rádio - Google Patents

Abstract

arranjo de antena de patch de microfita polarizada dupla e metodologia associada para um dispositivo de áudio. uma antena polarizada dupla e uma metodologia associada são providas para um dispositivo de rádio, tal como uma estação móvel. a antena é formada por uma pluralidade de patches configurados em um arranjo, simétrico em uma primeira direção de polarização e em uma segunda direção de polarização. patches adjacentes do arranjo são interconectados por fitas de conexão que também são posicionadas de forma simétrica nas duas direções. estas fitas de conexão não apenas atuam como linhas de alimentação para os patches, mas também operam como elementos radiantes em fase em cada direção de polarização. uma fita transversal se estende entre um par de patches posicionados transversalmente. e uma conexão de alimentação única é provida ali.

Description

A presente invenção se refere geralmente a uma antena para um dispositivo de rádio portátil, tal como um dispositivo capaz de Bluetooth ou de IEEE 802.11 b/g, que opera na banda de freqüência de IMS (Indústria, Área Médica e Científica). Mais particularmente, a presente invenção se refere a uma antena polarizada dupla e a uma metodologia associada de construção compacta, capaz de posicionamento em ou dentro de um alojamento de rádio do dispositivo de rádio portátil.

Um arranjo de patches posicionados em canto é disposto sobre o substrato. Os patches posicionados em canto em conjunto com fitas de conector que interconectam patches adjacentes são simétricos em uma primeira e em uma segunda direção de polarização e são de dimensões que permitem uma excitação simétrica em uma freqüência ressonante.

Antecedentes da Invenção

Os sistemas de comunicação por rádio são usados por muitos na sociedade moderna para se comunicarem. Serviços de comunicação muito variados, serviços de comunicação por voz e serviços de comunicação de dados, são regularmente efetuados por meio de sistemas de comunicação por rádio. E, conforme os avanços tecnológicos permitem, os tipos de serviços de comunicação efetuáveis por meio de sistemas de comunicação por rádio devem aumentar da mesma forma.

Os sistemas de comunicação celulares são um exemplo de sistemas de comunicação por rádio que têm altos níveis de uso. Os sistemas de comunicação celulares tipicamente são construídos para proverem uma cobertura de área ampla. E, suas infra-estruturas foram instaladas por porções significativas das áreas com população do mundo. Um usuário se comunica por meio de um sistema de comunicação por rádio através do uso de um dispositivo sem fio, um transceptor de rádio, às vezes referido como uma estação móvel ou um equipamento de usuário (UE). Tipicamente, um acesso a um sistema de comunicação celular é provido em consonância para a aquisição de uma assinatura, em uma base renovada, isto é, mensal, ou em uma base de uso de tempo, pré-paga. Os sistemas de comunicação celulares, operáveis em consonância para padrões de operação diferentes, definem interfaces de ar de rádio em bandas de freqüência diferentes, por exemplo, na banda de freqüência de 800 MHz, na banda de freqüência de 900 MHz e nas bandas localizadas entre 1,7 GHz e 2,2 GHz.

Outros tipos de sistemas de comunicação por rádio também são amplamente usados, por exemplo, sistemas baseados em Bluetooth™ e IEEE 802.11 b/g, implementados, por exemplo, como sistemas de WLAN (Rede de Área Local Sem Fio), também provêem comunicações de voz e dados, geralmente por áreas de cobertura menores do que suas contrapartes celulares. As WLANs são regularmente operadas como redes privadas, provendo a usuários que tenham acesso a essas redes a capacidade de se comunicarem através dali pelo uso de dispositivos sem fio com capacidade de Bluetooth ou 802.11 b/g. As WLANs às vezes são configuradas para serem conectadas a redes públicas, tal como a Internet e, por sua vez, a outras redes de comunicação, tais como PSTNs (Redes Telefônicas Comutadas Públicas) e PLMNs (Redes

Móveis em Terra Públicas). As entidades de trabalho em cooperação às vezes são providas para a provisão de uma conexão mais direta entre redes de área pequena e uma PLMN. Vários dos sistemas mencionados anteriormente são implementados na banda de freqüência de 2,5 GHz.

Os sistemas de comunicação por rádio geralmente são de largura de banda restrita. Quer dizer, as alocações de largura de banda para sua operação são limitadas. E essa alocação de largura de banda limitada impõe limites à capacidade de comunicação do sistema de comunicação. Esforços significativos foram feitos e a atenção dirigida a maneiras pelas quais se utilizar eficientemente a largura de banda limitada alocada em sistemas de largura de banda restrita. Técnicas de comunicação de polarização dupla às vezes são utilizadas. Em uma técnica de polarização dupla, os dados comunicados na mesma freqüência são comunicados em planos polarizados separados. Perto de uma duplicação da capacidade de comunicação é possível através do uso de técnicas de polarização dupla. Para a transdução de energia de sinal em consonância com um esquema de polarização dupla, é requerido que o dispositivo sem fio utilize uma antena polarizada dupla, operável nos planos de polarização separados. O uso de técnicas de polarização dupla também é vantajoso pela razão de os efeitos de transmissão de percurso múltiplo e outra interferência serem geralmente reduzidos, desse modo se melhorando a qualidade de transmissão e recepção de sinal.

Uma antena polarizada dupla é realizável, por exemplo, pela alimentação de uma antena de patch quadrada em duas bordas ortogonais da mesma por meio de uma alimentação de borda ou uma alimentação de sonda. Geralmente, as antenas de patch polarizadas duplas existentes são usadas em conjunto com dois circuitos de rede de alimentação. Essas antenas existentes sofrem de várias limitações. Por exemplo, é requerido que as distâncias de separação entre as conexões de alimentação sejam grandes o bastante para se impedir uma ocorrência de acoplamento entre as respectivas linhas de alimentação. Quantidades excessivas de acoplamento resultam em níveis de polarização cruzada altos.

Conforme os dispositivos sem fio são de dimensões crescentemente menores, acondicionados em alojamentos de dimensões crescentemente menores, problemas associados a níveis de polarização cruzada têm probabilidade de se tornarem mais significativos. Uma antena polarizada dupla melhorada construída de uma maneira a reduzir esses problemas deletérios é necessária.

É à luz desta informação de antecedentes relacionada a antenas para dispositivos de rádio que os melhoramentos significativos da presente invenção se desenvolveram.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 ilustra um diagrama de blocos funcional de um sistema de comunicação por rádio no qual uma modalidade da presente invenção é operável. A Figura 2 ilustra uma vista plana de uma antena de patch de microfita polarizada dupla de uma modalidade da presente invenção. A Figura 3 ilustra uma representação gráfica mostrando perdas de retorno simuladas e medidas plotadas como uma função de freqüência de uma antena que faz parte de um dispositivo sem fio de uma modalidade de exemplo da presente invenção. A Figura 4 ilustra uma representação de uma distribuição de corrente simulada de exemplo de uma antena de uma modalidade da presente invenção a 2,47 GHz. A Figura 5 ilustra uma representação gráfica de padrões de radiação simulada de uma antena de uma modalidade da presente invenção a 2,47 GHz. A Figura 6 ilustra uma representação gráfica similar àquela mostrada na Figura 5, mas de padrões de radiação medidos exibidos por uma antena de uma modalidade da presente invenção a 2,47 GHz. A Figura 7 ilustra uma representação gráfica mostrando um ganho simulado de uma antena de uma modalidade da presente invenção. A Figura 8 ilustra um método de fluxograma representativo do método de operação de uma modalidade da presente invenção.

Descrição Detalhada

A presente invenção, assim sendo, vantajosamente, provê um aparelho de antena e um método associado para um dispositivo de rádio portátil, tal como um dispositivo compatível com Bluetooth ou compatível com 802.11 b/g, que opera na banda de freqüência de IMS (Indústria, Área Médica e Científica).

Através da operação de uma modalidade da presente invenção, uma antena polarizada dupla de construção compacta é provida. A antena é capaz de posicionamento em ou dentro de um alojamento de rádio do dispositivo de rádio portátil.

Em um aspecto da presente invenção, a antena é formada por um arranjo de patches posicionados em canto que são dispostos sobre o substrato. Os patches posicionados em canto em conjunto com fitas de conector que interconectam patches adjacentes são simétricos em uma primeira direção de polarização e em uma segunda direção de polarização. E o material condutivo atacado quimicamente ou disposto de outra forma sobre o substrato é simetricamente excitável em uma freqüência ressonante, tal como em torno de 2,47 GHz, da banda de freqüência de IMS.

Em um outro aspecto da presente invenção, os patches posicionados em canto formam um arranjo de patches no qual cada patch do arranjo é de uma dimensão geométrica correspondente. Cada patch, por exemplo, é de formato quadrado. Cada patch de formato quadrado é de uma dimensão comum no sentido do comprimento e no sentido da largura, para se permitir, desse modo, que o arranjo resultante seja simétrico em duas direções, uma primeira direção de polarização e uma segunda direção de polarização, em que a segunda direção de polarização é ortogonal à primeira direção de polarização. Os patches, por exemplo, são formados nos cantos de um substrato retangular de modo que os patches se estendam para as bordas laterais do substrato.

Em um outro aspecto da presente invenção, fitas de conector são dispostas sobre o substrato para a interconexão de patches adjacentes dos patches do arranjo. Como os patches são dispostos em um arranjo de dois por dois, quatro fitas de conector, cada uma conectando em conjunto um par de fitas adjacentes, são utilizadas. Uma fita de conector se estende em uma primeira direção de polarização ou uma segunda direção de polarização, dependendo de qual par de patches do arranjo que a fita de conector interconectar. As fitas de conector são posicionadas para proverem simetria através de um acesso que se estende na mesma direção de polarização na qual a fita de conector se estende. Quando posicionadas para conectarem patches adjacentes do arranjo de dois por dois, duas das quatro fitas de conector se estendem na primeira direção de polarização e são simétricas em torno de um eixo geométrico de polarização que se estende na primeira direção de polarização. E um segundo par das quatro fitas de conector se estende em uma segunda direção de polarização e é simétrico em torno de um eixo geométrico de polarização que se estende em uma segunda direção de polarização. As fitas de conector desse modo interconectam cada patch adjacente do arranjo e, no todo, interconectam todos os patches do arranjo.

Em um outro aspecto da presente invenção, uma fita transversal é disposta sobre o substrato que se estende transversalmente entre um par de patches posicionados transversais do arranjo de patches. Uma conexão de alimentação única é provida em um ponto médio da fita transversal que se estende transversalmente. A conexão de alimentação provê uma excitação simétrica da partes posicionadas simetricamente da antena disposta sobre o substrato. A excitação simétrica é provida através do uso da conexão de alimentação única. Desse modo, problemas associados a uma polarização cruzada são reduzidos. E uma antena polarizada dupla compacta, de alto ganho e de alta eficiência é provida, dessa forma.

Nestes e em outros aspectos, portanto, o aparelho de antena e um método associado são providos para um dispositivo de rádio. Um substrato é provido. E um grupo de patches posicionados em lado é disposto em arranjo simétrico sobre o substrato. As fitas de conexão são dispostas sobre o substrato. As fitas de conexão são configuradas para conexão em conjunto de patches adjacentes dos patches posicionados em lado do grupo. Uma fita transversal é disposta sobre o substrato. A fita transversal é configurada para conectar em conjunto um par de patches transversalmente configurados do grupo dos patches posicionados em lado. Os patches posicionados em lado provêem uma operação de polarização dupla.

Nestes e em outros aspectos, portanto, um aparelho de antena e uma metodologia associada são providos para um dispositivo de rádio. Um substrato é provido. E um grupo de patches é disposto sobre o substrato. Os patches são configurados para a formação de um arranjo de dois por dois. Um grupo de fitas de conexão é disposto sobre o substrato. As fitas de conexão são configuradas para interconectarem os patches adjacentes dos patches do arranjo. Uma fita transversal é adicionalmente disposta sobre o substrato, interconectando um par de patches posicionados transversalmente. Estas fitas de conexão não apenas atuam como linhas de alimentação para os patches, mas também operam como elementos de radiação em fase em cada direção de polarização.

Voltando-nos, primeiramente, portanto, para a Figura 1, um sistema de comunicação por rádio, mostrado geralmente em 10, provê comunicações com uma estação móvel 12. A estação móvel, na implementação de exemplo, opera em consonância com um padrão Bluetooth ou um padrão IEEE 802.11 b/g, operável para o envio e a recepção de sinais na banda de 2,4 GHz. Mais geralmente, a estação móvel 12 é representativa de qualquer um de vários dispositivos sem fio, e o sistema de comunicação por rádio é representativo de quaisquer sistemas de comunicação por rádio variados operáveis em conformidade com qualquer um dos vários padrões de comunicação ou permitindo uma operação em bandas de freqüência não reguladas. Assim sendo, embora a descrição a seguir descreva uma operação de exemplo de um sistema em conformidade com Bluetooth ou IEEE 802.1 b/g, operável na banda de freqüência de 2,4 GHz, deve ser entendido que a descrição a seguir é meramente de exemplo e que a descrição de operação do sistema de comunicação por rádio operável em conformidade com uma outra maneira é análoga.

O sistema de comunicação por rádio inclui uma parte de rede, aqui representada por uma estação de rede 14. A estação de rede compreende, por exemplo, um ponto de acesso de uma WLAN ou uma entidade análoga que transcepta sinais com dispositivos sem fio, tal como a estação móvel 12. A estação de rede a qual forma aqui um ponto de acesso faz parte de uma estrutura de rede local (WLAN) 16 que, por sua vez, é acoplada a uma rede externa, aqui uma rede de dados de pacote pública (PDN) 18, tal como a Internet.

O padrão de operação em conformidade com a qual as estações móveis e de rede são operáveis é permitir e aqui prover comunicações polarizadas duplas na banda de freqüência operacional do sistema de comunicação, aqui uma banda de IMS que se estende entre 2,40 e 2,485 GHz.

A estação móvel 12 inclui um circuito de transceptor, aqui representado por uma parte de recepção (RX) 26 e uma parte de transmissão (TX) 28. As partes de recepção e transmissão são acopladas, tal como por meio de um acoplador de antena ou uma outra entidade que provê um isolamento entre as partes de transceptor para uma antena 32 de uma modalidade da presente invenção. O circuito de transceptor é capaz de uma operação de polarização dupla. Quer dizer, as partes de transmissão e recepção são capazes de gerarem sinais para transmissão em ambas as direções de polarização e também de operarem sobre sinais comunicados para a estação móvel em ambas as direções de polarização.

Correspondentemente, a antena 32 forma uma antena polarizada dupla, capaz de transduzir uma energia de sinal de ambas as direções de polarização. Quer dizer, a energia de sinal é detectada pela antena em ambas as direções de polarização. E a energia de sinal gerada na estação móvel é transduzida em forma eletromagnética e irradiada em ambas as direções de polarização duplas. Na implementação de exemplo, a antena 32 é disposta sobre um substrato geralmente plano de dimensões que permitem seu posicionamento dentro de um alojamento 36 da estação móvel. A Figura 2 ilustra em maiores detalhes a antena 32 de uma modalidade da presente invenção e que faz parte da estação móvel 12, mostrada na Figura 1. A antena inclui uma pluralidade de patches 44 que são dispostos sobre um substrato 42. Os patches são atacados quimicamente, pintados ou formados de outra forma sobre o substrato. Os patches são formados no substrato de uma maneira que defina um arranjo de dois por dois de patches. Isto é, os patches são formados em duas linhas e duas colunas, cada patch definindo em uma linha única e uma coluna única do arranjo.

Na implementação de exemplo, os patches são de geometria quadrada, isto é, são de formato quadrado. Cada patch 44 é de uma dimensão de largura e é de uma dimensão de comprimento de a. Na implementação de exemplo, cada um dos patches é formado nos cantos de substrato 42, aqui de formato retangular. Desse modo, as borda do substrato e dos lados periféricos externos dos patches são limítrofes. Através do uso dos patches comumente conformados e comumente dimensionados, e através de seu posicionamento no arranjo uniforme, o grupo de patches é simétrico em relação a dois eixos geométricos de simetria, aqui os eixos geométricos 46 e 48. Os eixos geométricos 46 e 48 são ortogonais um ao outro. E os eixos geométricos definem direções de polarização mutuamente ortogonais.

As fitas de conexão 52 também são dispostas sobre o substrato 42. As fitas de conexão também são dispostas, atacadas quimicamente ou formadas de outra forma sobre o substrato. Cada fita de conexão 52 é configurada para a interconexão de um par adjacente dos patches 44. No arranjo de dois por dois, cada um dos patches é conectado a duas fitas de conexão, conforme as fitas de conexão conectam patches de pares adjacentes de patches definidos em cada uma das direções 46 e 48. As fitas de conexão na implementação de exemplo são de formato retangular, cada um de uma largura de w. E os patches são separados por distâncias de separação d. E, de modo conforme, cada uma das fitas de conexão é de um comprimento de d. As fitas de conexão também são simétricas em torno de um dos eixos geométricos de simetria 46 e 48. A estrutura resultante formada pelos patches 44 e pelas fitas de conexão 52 é, em conjunto, simétrica de duas formas em torno dos eixos geométricos 46 e 48.

A antena 32 ainda inclui uma fita transversal 56 disposta, atacada quimicamente ou formada de outra forma sobre o substrato para se estender transversalmente entre um par posicionado transversalmente dos patches 44. Uma conexão de alimentação 58 é definida na metade ao longo do comprimento da fita transversal. O posicionamento da conexão de alimentação provê uma excitação simétrica para se reduzirem, desse modo, os níveis de polarização de componentes de polarização dupla. Na implementação de exemplo, o substrato ainda inclui um plano de aterramento comum 60 formado sobre um lado de fundo (conforme mostrado) do mesmo. O plano de aterramento comum define um refletor que é separado dos elementos condutivos que são dispostos sobre o substrato e aqui separados dos elementos condutivos que são dispostos sobre o substrato e aqui separados por uma distância definida pela espessura do substrato. A Figura 3 ilustra uma representação gráfica 92 que ilustra gráficos 94 e 96 que são representativos de perdas de retorno simuladas e medidas, respectivamente, plotadas como uma função de freqüência. Na implementação de exemplo, a antena é ressonante na banda de freqüência de 2,4 GHz e os gráficos são indicativos disso. A Figura 4 de novo ilustra a antena 32 de uma modalidade de exemplo da presente invenção. Aqui, uma distribuição de corrente simulada exibida pela antena em sua freqüência ressonante de 2,47 GHz. As partes cruzadas de antena representam a corrente na antena. Uma análise da distribuição de corrente indica que a distribuição de corrente inclui componentes se estendendo em direções paralelas aos eixos geométricos de polarização 46 e 48 mostrados na Figura 2. As Figuras 5 e 6 ilustram, respectivamente, padrões de radiação bidimensionais, simulados e medidos, respectivamente da antena 32 de uma modalidade da presente invenção em sua freqüência ressonante de 2,47 GHz. Em cada representação, representações em plano de zero e noventa graus 102 e 104 são plotadas. A Figura 7 ilustra uma representação gráfica 106 que ilustra um ganho simulado como uma função de freqüência, exibido pela antena 32 de uma modalidade da presente invenção. O ganho é centrado em ou próximo da freqüência ressonante de 2,47 GHz. A Figura 8 ilustra um fluxograma de método, mostrado geralmente em 112, representativo do método de operação de uma modalidade da presente invenção. O método é para a transdução de energia de sinal em um dispositivo de rádio.

Em primeiro lugar, e conforme indicado pelo bloco 114, um grupo de patches é disposto sobre um substrato. Os patches são configurados para formarem um arranjo de dois por dois. E, conforme indicado pelo bloco 116, um grupo de fitas de conexão é disposto sobre o substrato. As fitas das fitas de conexão são configuradas para interconectarem os patches adjacentes dos patches.

Uma vez formados sobre o substrato, os patches são usados para a transdução de energia de sinal, polarizados na direção de polarização e na segunda direção de polarização, nos primeiro e segundo grupos, respectivamente, das fitas de laço.

Desse modo, uma antena polarizada dupla de dimensões compactas é provida. Através do uso de patches dispostos sobre um substrato, configurados de maneira a se permitir o uso de uma conexão de alimentação única para excitação simétrica da antena, assim configurada, eliminam-se os problemas associados a conexões de alimentação múltipla usadas por antenas polarizadas duplas convencionais.

Claims (9)

1. Aparelho de antena polarizada dupla (32) para um dispositivo de rádio (12), o referido aparelho de antena (32) caracterizado pelo fato de compreender: um substrato retangular plano (42); quatro patches (44) de formato quadrado dispostos em um arranjo simétrico sobre um primeiro lado do referido substrato retangular plano (42), um patch sendo formado em cada canto do substrato retangular plano; quatro fitas de conexão (52) dispostas sobre o primeiro lado do referido substrato retangular plano (42), cada fita de conexão conectando em conjunto apenas os patches (44) em cantos adjacentes do substrato retangular plano (42), e uma fita transversal (56) disposta sobre o primeiro lado do referido substrato (42), a referida fita transversal (56) se estendendo entre e conectando em conjunto os patches formados em um primeiro par de cantos diagonalmente opostos do substrato retangular, a fita transversal tendo e provendo ao aparelho de antena (32) uma conexão de ponto de alimentação única (58) localizada em um ponto médio da fita transversal (56) para prover excitação simétrica; e um plano de aterramento (60) no segundo lado do substrato (42), o plano de aterramento (60) definindo um refletor que é separado dos patches (44), fitas de conexão (52) e fita transversal (56) no primeiro lado do substrato (42) por uma distância definida pela espessura do substrato (42).

2. Aparelho (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os patches (44) dispostos sobre o referido substrato (42) no referido arranjo simétrico serem simétricos em uma primeira direção de polarização e em uma segunda direção de polarização.

3. Aparelho (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada fita de conexão das referidas fitas de conexão (52) ser configurada para ser de um primeiro comprimento selecionado e de uma primeira largura selecionada.

4. Aparelho (32), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o grupo dos patches (44) ser configurado para ser ressonante em uma primeira direção de polarização e em uma segunda direção de polarização em uma banda de freqüência de 2,4 GHz.

5. Método (112) para a transdução de energia de sinal em um dispositivo de rádio (12), o referido método caracterizado pelo fato de compreender as operações de: disposição (114) de quatro patches (44) de formato quadrado em um arranjo simétrico sobre uma primeira superfície de um substrato retangular plano (42), um patch (44) sendo formado em cada canto do substrato (42); disposição (116) de quatro fitas de conexão (52) sobre o primeiro lado do substrato (42), cada fita de conexão conectando em conjunto apenas os patches (44) em cantos adjacentes do substrato retangular (42); disposição (116) de uma fita transversal (56) sobre o primeiro lado do substrato (42), a fita transversal (56) sendo configurada para prover uma conexão de ponto de alimentação única (58) para o aparelho de antena (32) e a fita transversal (56) se estendendo entre e conectando em conjunto os patches formados em um primeiro par de cantos diagonalmente opostos do substrato retangular, a fita transversal (56) tendo e provendo ao aparelho de antena (32), um ponto de alimentação única (58) localizado em um ponto médio da fita transversal (56) para prover excitação simétrica; disposição de um plano de aterramento (60) no segundo lado do substrato (42), o plano de aterramento (60) definindo um refletor que é separado dos patches (44), fitas de conexão (52) e fita transversal (56) no primeiro lado do substrato (42) por uma distância definida pela espessura do substrato (42); e transdução (118) de energia de sinal, polarizada em uma primeira direção de polarização e em uma segunda direção de polarização nos patches do grupo de patches (44).

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de ainda compreender a operação de conexão de um dispositivo de rádio (12) ao referido ponto de alimentação única (58) da fita transversal (56).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de ainda compreender a operação de excitação simétrica dos patches posicionados em lado (44), das fitas de conexão (52) e da fita transversal disposta durante as referidas operações de disposição com energia de sinal.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a energia de sinal provida durante a referida operação de excitação simétrica compreender uma energia de sinal de 2,4 GHz.

9. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o grupo dos patches (44) dispostos durante a referida operação de disposição do grupo dos patches (44) compreender os patches em um 5 primeiro arranjo simétrico em uma primeira direção de polarização e em um segundo arranjo simétrico em uma segunda direção de polarização.

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