CN100362697C - 相控阵天线装置中产生副辐射方向图的装置 - Google Patents

相控阵天线装置中产生副辐射方向图的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在具有多个用户的无线电通信系统中产生安排在相控阵天线装置的水平错置的主辐射方向图之间的副辐射方向图的装置。为了控制天线阵装置，在其前串接布特勒阵列(BM)，以使得为产生主辐射方向图把用户信号(TN1、TN2、TN3)切换到所述布特勒阵列刚好一个输入端，为产生副辐射方向图把用户信号切换到所述布特勒阵列(BM)的刚好二个相邻的输入端。

Description

相控阵天线装置中产生副辐射方向图的装置
技术领域
本发明涉及一种装置，它用于在有多个用户的无线电通信系统中产生各安排在相控阵天线装置的水平错置的主辐射方向图之间的副辐射方向图。为了控制天线阵装置这样地在其前串接布特勒(butler)阵列：使得为产生对准第一用户区域的第一主辐射方向图，把第一用户信号切换到所述布特勒阵列的第一输入端，为产生对准第二用户区域的邻近的第二主辐射方向图，把第二用户信号切换到所述布特勒阵列的第二输入端，并且使得该两个主辐射方向图相互呈相同偏振。
背景技术
公知其中借助于所谓的“全自适应性”天线装置为各用户服务的无线电通信系统。其中依据各个用户的所在位置产生分配给该用户的主辐射方向图，所述的主辐射方向图在用户的所在位置变更时进行跟踪。由于全自适应天线的高控制费用这种无线电通信系统只能用非常高的成本实现。
为了降低这种费用，采用具有自适应天线的无线电通信系统，其中确定多个固定的、部分地重叠的、相同偏振的水平主辐射方向图。将每个用户依据其所在位置分配给主辐射方向图。在此，固定主辐射方向图互呈相同偏振，并且得出有偏离基准场强的典型的3分贝吸收的馈送特性。
从“Performance Evaluation of Adaptive Antenna Base Stations in aCommercial Network，”Henrik Dam et al，Erisson Radio System AB，Sweden，VTC`99(0-7803-5435-4/99，1999 IEEE)和从“Adaptive Base-Station Antenna Arrays”，Anders Derneryd，Bjoern Johannisson，Ericsson Revie No3，1999，公知一些方法，这些方法通过在主辐射方向图之间产生附加的副辐射方向图降低馈电特性的吸收，但其中副辐射方向图与主辐射方向图不是相同偏振的。
由EO 0639 035 A1公知一种基地台的智能天线装置，前串接所述的智能天线装置以既控制高低波束整型器也控制方位波束整型器。从基地台方面划分由一个收发信机形成的发送信号，所述的发送信号依据载波频率抵达至少一个信号通道以进行放大。为形成(主)波束，把所述的发送信号划分成为两个分信号，其中把所述分信号的第一个馈送到方位波束整形器，同时不切换剩下的第二分信号。相反，为构成(副)波束把第二分信号也馈送到方位整形器。
发明内容
本发明的目的是这样地构成一种装置，它产生各安排在相控阵天线装置的水平错置的主辐射方向图之间的副辐射方向图，并使副辐射方向图的偏振与主辐射方向图的相同。
根据本发明的在其用户信号由所分配的载波单元构成的具有多个用户的无线电通信系统中产生各安排在相控阵天线装置的水平错置的主辐射方向图之间的副辐射方向图的装置，为了控制相控阵天线装置，在其前串接布特勒阵列，以使得为产生对准第一用户区域的第一主辐射方向图，把第一用户信号切换到所述布特勒阵列的第一输入端，为产生对准第二用户区域的与第一主辐射图邻近并且相同偏振的第二主辐射方向图，把第二用户信号切换到所述布特勒阵列的第二输入端，其中每个载波单元各相应地后接一个所属的控制装置，通过所述的控制装置所属的载波单元的用户信号或不划分地抵达布特勒阵列的一个输入端或者划分地同相位抵达布特勒阵列的两个输入端，并且为产生与邻近主辐射方向图相同偏振的对准第三用户区域的副辐射方向图，通过所属的控制装置划分第三用户信号并且同相位地切换到所述布特勒阵列的第一和第二输入端。
优选地，布特勒阵列有N个输入端和N个输出端，并且每个输出端分别与相控阵天线装置的多个输入端中的一个连接。
有益地，相控阵天线装置有N个主辐射方向图和N-1个各在其间安排的副辐射方向图。
根据一种改进方案，在布特勒阵列的N个输入端的每个前如此串接一个各有N个输入端的并且各有一个输出端的组合器，使得每个组合器的组合器输出端分别与布特勒阵列的N个输入端中的一个连接。
优选地，在N个组合器的每个前如此串接一个各有N个输出端和一个输入端的控制装置，使得N个组合器的第一至第N输入端中的每一个分别与第一至第N控制装置的一个相应输出端连接。
优选地，在N个控制装置的每个前如此串接一个各有一个输出端的载波单元，使得控制装置的每个输入端与刚好一个载波单元的输出端连接，其中多个用户的用户信号经过所述载波单元抵达控制装置。
有益地，在分配给输入端的控制装置的一个输入支路上设有一个经第一连接点安排在横向支路中的由电容器和置于补偿电位上的可开关的分流PIN二极管组成的串联电路；在经公共的星形汇接点与控制装置的输入支路连接的分配给N个输出端的输出支路上各提供一个经横向支路中的每一个第二连接点置于补偿电位的可开关的分流PIN二极管；这样地确定设在输入支路的横支路中的电容器和从第一连接点与星形汇接点之间存在的线路距离的尺寸，使得控制装置的输入端具有基本上是实数的输入阻抗；在每个分配给N个输出端的输出支路上，这样地确定相应的第二连接点到星形汇接点的线路距离的尺寸，使得在输出支路的分流PIN二极管导通时，输出端以高阻与星形汇接点分隔开。
有利的是，这样地设计控制装置，使得：输入阻抗有基本上是50欧姆的阻值；在每个输出端，第二连接点至星形汇接点的线路距离基本上为分配给用户的载波频率波长的1/4；第一连接点至星形汇接点的线路距离基本上为分配给用户的载波频率的波长的十分之一或者十二分之一。
优选地，为产生副辐射方向图，如此切换设在控制装置的输入支路中的分流PIN二极管，使得邻近的输出端的二个分流PIN二极管与星形汇接点以高阻分隔开，同时其余的分流PIN二极管导通补偿电位，而为产生主辐射方向图，如此切换设分流PIN二极管，使得刚好一个输出支路的分流PIN二极管与和输入支路的分流PIN二极管以高阻截止，并且其余的分流PIN二极管导通补偿电位。
另外有利的是，如此构成无线电通信系统：使得用户信号用时隙传输，并且各个用户信号相应其时隙通过控制装置抵达布特勒阵列的相应输入端，以产生各个主辐射方向图或者副辐射方向图。
优选地，相控阵天线装置具有带有相互处于正交的激励系统的交叉偏振的各个天线，其中为产生安排在主辐射方向图之间的副辐射方向图，采用相应的相同偏振的激励系统。
本发明的应用例子存在于通信系统中，特别是在移动无线电系统中。
附图说明
下面参照附图详细地说明本发明的实施例。在附图中：
图1根据现有技术的主辐射方向图和与之邻近排列的副辐射方向图，
图2主辐射方向图和根据本发明的排列在其间的副辐射方向图，
图3用于控制相控阵天线装置以产生根据本发明的主辐射方向图和副辐射方向图的装置，
图4根据图3的装置中的控制装置的电路举例。
具体实施方式
图1示出借助于图中未示的自适应天线装置产生的根据现有技术的水平的主辐射方向图HS1、HS2、HS3和HS4，和与之邻近安排的副辐射方向图NS12、NS23、NS34和NS35。
主辐射方向图HS1至HS4是相同偏振的，在此例如是+45度偏振，并且相互水平地错置，其中每个主辐射方向图各负责一个空间的区域，或者说负责相应分配给各个区域的用户。第一主辐射方向图HS1和与其邻近的第二主辐射方向图典型地在点P12搭接，此点特征是对参照场强EREF的场强下降3分贝。对于由主辐射方向图H2、H3、H4的搭接相应产生的点P23和P24也是这样的。
借助于自适应天线装置产生与主辐射方向图HS1至HS4邻近的副辐射方向图NS12、NS13、NS14和NS15，它们也是彼此相同偏振的，但是对于主辐射方向图HS1至HS4偏振不相同的。从而在此副辐射方向图NS12至NS5的偏振是-45度，
第一和第二主辐射方向图HS1及HS2例如与排列在其间的副辐射方向图NS12在点P1及P2搭接，这些点的特征是对参照场强EREF的场强典型地下降0.6分贝。由相应的主辐射方向图和副辐射方向图H2至H4和NS12至NS5的搭接产生的点P3、P4、P5、P6和P7也是这样的。
从而自适应天线装置具有典型的0.6分贝吸收的空间馈送特性，然而向用户发送的信号的偏振取决于其所在位置，并且从而取决于相应分配给它的主辐射方向图和副辐射方向图。
例如将其分配给第一主辐射方向图HS1的用户的信号从而呈+45度偏振发射。
如果该用户搬动，并且因此例如将其分配给副辐射方向图NS12，则确定的信号的偏振从+45度变化到-45度。
图2示出主辐射方向图HSD1、HSD2、HSD3和HSD4和根据本发明排列在其间的副辐射方向图NSD12、NSD23和NSD24。与图1比较，主辐射方向图HSD1、HSD2、HSD3和HSD4分别在各点PD12、PD23和PD34再次搭接，这些点的特征是对参照场强EREF的场强下降3分贝，并且副辐射方向图NSD12、NSD23和NSD24分别在各点PD1、PD2、PD3、PD4、PD5和PD6与主辐射方向图HSD1、HSD2、HSD3和HSD4搭接，在这些点的特征是对参照场强EREF场强下降0.6分贝。
然而与公知的现有技术比较，根据本发明主辐射方向图HSD1至HSD4相互是相同偏振的，并且与副辐射方向图NSD12至NSD34也相同偏振。
例如将其分配给主辐射方向图HSD1的用户的信号从而总是相同偏振地发射，即使在用户搬动并且因而将其分配给副辐射方向图NSD12时也是这样。
图3示出用于控制相控阵天线装置以产生图2中所示的根据本发明的主辐射方向图和副辐射方向图的装置。
带有四个输入端E1、E2、E3和E4以及四个输出端的布特勒阵列BM起控制相控阵天线装置ANT的作用，所述的相控阵天线装置由交叉偏振的各个天线ANT1、ANT2、ANT3和ANT4组成。对于每个在此包含的偏振带有各自的天线输入端的每个天线ANT1、ANT2、ANT3和ANT4含有一或多个连接在一起的+45度激励系统，该激励系统起产生+45度偏振的辐射方向图的作用，或同样含有的一或多个连接在一起的-45度激励系统，该激励系统起产生-45度偏振的辐射方向图的作用。从而相控阵天线装置ANT具有八个输入端用于接受用户信号，四个用于激励+45度的及四个用于激励-45度的偏振的辐射方向图。
布特勒阵列BM的每个输出端与相控阵天线装置刚好呈+45度的输入端连接。对布特勒阵列BM的四个输入端的每一个前面串接各有四个输入端的并且各有一个输出端的组合器CB1、CB2、CB3及CB4，以使得组合器CB1、CB2、CB3及CB4的输出端与布特勒阵列BM的四个输入端E1-E4的刚好一个连接。对于组合器CB1至CB4的每一个也是前面串接各带有相应的输出端和每个输入端的控制装置ANS1、ANS2、ANS3及ANS4，以使得四个组合器CB1至CB4的第一至第四输入端各与第一至第四控制装置ANS1、ANS2、ANS3及ANS4的输出端连接。
控制装置ANS1至ANS4的每个前面串接各具有输出端的载波单元CU1、CU2、CU3及CU4，使得控制装置ANS1至ANS4的每个输入端与刚好载波单元CU1至CU4的输出端连接。通过载波单元CU1至CU4把用户信号传送给相应的控制装置ANS1至ANS4。
借助于在此所述的排列和控制装置ANS1至ANS4，依据于用户，如图2所示，产生四个主辐射方向图和三个排列在其间的副辐射方向图。
为了产生主辐射方向图HSD1，例如载波单元CU1的第一用户信号TN1经过第一控制装置ANS1和经第一组合器CB1抵达布特勒阵列BM的刚好一个输入端E1，并且经此输入端E1抵达相控阵天线装置ANT的+45度输入端。把信号TN1在布特勒阵列BM内如此划分并且进行相移，以使得在其发射时例如出现从图2所知的主辐射方向图HSD1。
为产生与此邻近的主辐射方向图HSD2，例如第一载波单元CU1的第二用户信号TN2同样地经第一控制装置ANS，但是接着经第二组合器CB2抵达刚好是布特勒阵列BM的第二输入端E2，并且经此输入端E2抵达相控阵天线装置ANT的+45度的输入端。把信号TN2也在布特勒阵列BM内如此划分并且进行相移，以使得在其发射时例如出现从图2所知的主辐射方向图HSD2。在此布特勒阵列BM的输入端E1和E2是彼此邻近的。
为产生排列在主辐射方向图HSD1与HSD2之间的副辐射方向图NSD12，在此例如是向第二载波单元输送的第三用户信号TN3，经第二控制装置ANS2，并且经第一和第二组合器CB1及CB2同相地抵达两个输入端E1和E2。
用于根据本发明产生其它的在图2中示出的为载波单元CU1至CU4的其它用户的主辐射方向图或副辐射方向图或为其对布特勒阵列BM的输入端E1至E4分配也有同样意义。
每个控制装置ANS1至ANS4也是这样的情况，依据用户及其所在位置，为产生主辐射方向图和副辐射方向图把相应的用户信号借助于组合器CB1至CB4要么它连接到布特勒阵列BM的输入端E1至E4的仅一个上，要么它把相应的用户信号同相位地接通在布特勒阵列BM的两个邻近的输入端E1至E4上。
在一个其中各个用户信号在时间上相继地用时隙传输的无线电通信系统中，例如在GSM或者带有TDD的UMTS中，把相应于其时隙的各个用户信号借助于控制装置ANS1至ANS4接通在布特勒阵列BM的相应输入端上。
图4示出在根据图3的装置中的控制装置ANS的电路举例。控制装置ANS有四个输出端A1、A2、A3和A4和一个输入端E1。该四个输出端A1、A2、A3、A4经公共的星形汇接点SP与控制电路ANS的输入端E1连接。
在分配给输入端E1的控制装置ANS的输入支路上设有一个经第一连接点AP1排列在横向支路中的由电容器CE1和置于补偿电位P0上可开关的分流PIN二极管DE1组成的串联电路。在每个从星形汇流点SP通到四个输出端A1、A2、A3和A4的输出支路上各提供一个经横向支路中的每一个第二连接点AP2置于补偿电位P0的可开关的分流PIN二极管DA1、DA2、DA3及DA4。
电容器CE1和在第一连接点AP1到星形汇接点SP之间存在的线路距离ae1起阻抗匹配的作用，并且这样地设计，使得控制装置ANS的输入端E1具有基本上是实数的输入阻抗ZE1，该输入阻抗典型地为50欧姆。
在每个分配给输出端A1至A4的输出支路上，各第二连接点AP2具有对星形汇接点SP线路距离aa1、aa2、aa3和aa4。在各个线路距离aa1、aa2、aa3和aa4的尺寸要使得在分流PIN二极管DA1、DA2、DA3及DA4导通时，相应的输出端A1、A2、A3及A4高阻地与星形汇接点SP分隔开。通过在导通的分流PIN二极管DA1、DA2、DA3及DA4情况下补偿电位P0达到相应的第二连接点AP2，并且在一定程度上作为经具有典型的分配给用户的载波频率的1/4波长的电气长度的所属的线路距离aa1、aa2、aa3和aa4的短路，这基本上在星形汇接点SP上无载运行。
第一连接点AP1至星形汇接点SP的线路距离基本上为分配给用户的载波频率波长的1/10及1/12。
为产生在图2中所示的主辐射方向图，这样地切换输入支路中的分流PIN二极管DE1和分配给各自输出支路的分流PIN二极管DA1、DA2、DA3和DA4，使得输出端A1至A4的三个由星形汇接点高阻地分隔开。同时输入支路中的分流PIN二极管截止，由此电容器CE1及串联电路对阻抗变换不起作用。在此例如分流PIN二极管DA2、DA3和DA4接通输出支路，而第一输出支路中的分流PIN二极管和输入支路的分流PIN二极管截止。由此在输入端E1上的用户信号TN11抵达第一输出端A1。
为了产生图2中所示的副辐射方向图，相反地，出端A1至A4的两个以高阻与星形汇接点SP分隔开，并且同时地接通输入端支路的分流PIN二极管DE1以进行星形汇流点SP的阻抗匹配。
例如导通设在第三和第四输出支路中的分流PIN二极管DA3和DA4，由此第三和第四输出端A3和A4以高阻与星形汇流点分隔开。因为在此例中不导通存在于第一和第二输出支路中的分流PIN二极管DA1和DA2，在输入端E1上的用户信号NT31同时既抵达第一输出端A1和第二输出端A2。
这样，如图3所示相应的用户信号TN11或TN31抵达布特勒阵列的相应的输入端。
为了产生副辐射方向图在公共的星形汇流点SP上例如存在基本上实数的典型25欧姆的阻抗。通过电容器CE1并且借助于经线路距离aa1的转换作用把它转换成基本上实数的典型50欧姆的输入阻抗ZE1。

Claims (11)

1.在其用户信号由所分配的载波单元(CU1、CU2、CU3、CU4)构成的具有多个用户的无线电通信系统中产生各安排在相控阵天线装置(ANT)的水平错置的主辐射方向图(HSD1、HSD2、HSD3、HSD4)之间的副辐射方向图(NSD12、NSD23、NSD34)的装置，为了控制相控阵天线装置(ANT)，在其前串接布特勒阵列(BM)，以使得为产生对准第一用户区域的第一主辐射方向图(HSD1)，把第一用户信号(TN1)切换到所述布特勒阵列(BM)的第一输入端(E1)，为产生对准第二用户区域的与第一主辐射图(HSD1)邻近并且相同偏振的第二主辐射方向图(HSD2)，把第二用户信号(TN2)切换到所述布特勒阵列(BM)的第二输入端(E2)，
其特征在于，
-每个载波单元(CU1、...)各相应地后接一个所属的控制装置(ANS1、...、ANS4)，通过所述的控制装置所属的载波单元(CU1、...)的用户信号(TN1、...)或不划分地抵达布特勒阵列(BM)的一个输入端(E1、...)或者划分地同相位抵达布特勒阵列(BM)的两个输入端(E1、E2)，并且
-为产生与邻近主辐射方向图(HSD1、HSD2)相同偏振的对准第三用户区域的副辐射方向图(NSD12)，通过所属的控制装置划分第三用户信号(TN3)并且同相位地切换到所述布特勒阵列(BM)的第一和第二输入端(E1、E2)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，布特勒阵列(BM)有N个输入端(E1、E2、E3、E4)和N个输出端，并且每个输出端分别与相控阵天线装置(ANT)的多个输入端中的一个连接。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，相控阵天线装置(ANT)有N个主辐射方向图(HSD1、HSD2、HSD3、HSD4)和N-1个各在其间安排的副辐射方向图(NSD12、NSD23、NSD34)。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在布特勒阵列(BM)的N个输入端(E1、E2、E3、E4)的每个前如此串接一个各有N个输入端的并且各有一个输出端的组合器(CB1、CB2、CB3及CB4)，使得每个组合器的组合器输出端分别与布特勒阵列(BM)的N个输入端(E1、E2、E3、E4)中的一个连接。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，在N个组合器(CB1、CB2、CB3、CB4)的每个前如此串接一个各有N个输出端和一个输入端的控制装置(ANS1、ANS2、ANS3和ANS4)，使得N个组合器的第一至第N输入端中的每一个分别与第一至第N控制装置(ANS1、ANS2、ANS3和ANS4)的一个相应输出端连接。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在N个控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)的每个前如此串接一个各有一个输出端的载波单元(CU1、CU2、CU3及CU4)，使得控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS2)的每个输入端与刚好一个载波单元(CU1、CU2、CU3、CU4)的输出端连接，其中多个用户(TN1、TN2、TN3)的用户信号经过所述载波单元(CU1、CU2、CU3、CU4)抵达控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，
-在分配给输入端(E1)的控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)的一个输入支路上设有一个经第一连接点(AP1)安排在横向支路中的由电容器(CE1)和置于补偿电位(P0)上的可开关的分流PIN二极管(DE1)组成的串联电路，
-在经公共的星形汇接点(SP)与控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)的输入支路连接的分配给N个输出端(A1、A2、A3和A4)的输出支路上各提供一个经横向支路中的每一个第二连接点(AP2)置于补偿电位(P0)的可开关的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3及DA4)，
-这样地确定设在输入支路的横支路中的电容器(CE1)和从第一连接点(AP1)与星形汇接点(SP)之间存在的线路距离(AE1)的尺寸，使得控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)的输入端(E1)具有基本上是实数的输入阻抗(ZE1)，
-在每个分配给N个输出端(A1、A2、A3、A4)的输出支路上，这样地确定相应的第二连接点(AP2)到星形汇接点(SP)的线路距离(aa1、aa2、aa3和aa4)的尺寸，使得在输出支路的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3及DA4)导通时，输出端(A1、A2、A3和A4)以高阻与星形汇接点(SP)分隔开。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，这样地设计控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)，
-使得输入阻抗有基本上是50欧姆的阻值，
-使得在每个输出端(A1、A2、A3和A4)，第二连接点(AP2)至星形汇接点(SP)的线路距离(aa1、aa2、aa3和aa4)基本上为分配给用户(TN1、TN2、TN3)的载波频率波长的1/4，
-使得第一连接点(AP1)至星形汇接点(SP)的线路距离(ae1)基本上为分配给用户(TN1、TN2、TN3)的载波频率的波长的十分之一或者十二分之一。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，为产生副辐射方向图(NSD12、NSD23、NSD34)，如此切换设在控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)的输入支路中的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3和DA4)，使得邻近的输出端(A1、AN2、AN3、A4)的二个分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3和DA4)与星形汇接点(SP)以高阻分隔开，同时其余的分流PIN二极管(DE1、DA1、DA2、DA3和DA4)导通补偿电位(P0)，而为产生主辐射方向图(HSD1、HSD2、HSD3、HSD4)，如此切换设分流PIN二极管(DE1、DA1、DA2、DA3和DA4)，使得刚好一个输出支路的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3和DA4)与和输入支路的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3和DA4)以高阻截止，并且其余的分流PIN二极管(DA1、DA2、DA3和DA4)导通补偿电位(P0)。
10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，如此构成无线电通信系统：使得用户信号(TN1、TN2、TN3)用时隙传输，并且各个用户信号(TN1、TN2、TN3)相应其时隙通过控制装置(ANS1、ANS2、ANS3、ANS4)抵达布特勒阵列(BM)的相应输入端(E1、E2、E3、E4)，以产生各个主辐射方向图(HSD1、HSD2、HSD3、HSD4)或者副辐射方向图(NSD12、NSD23、NSD24)。
11.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，相控阵天线装置(ANT)具有带有相互处于正交的激励系统的交叉偏振的各个天线(ANT1、ANT2、ANT3、ANT4)，其中为产生安排在主辐射方向图之间的副辐射方向图(NSD12、NSD23、NSD34)，采用相应的相同偏振的激励系统。
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