CN101593873B - 介质天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质天线，(至少部分)包括一个电介质体以及一个导电壳体；能够通过馈送段对电介质体施加电磁辐射，并且能够通过一个透镜状成形的发射段从电介质体将(至少部分)电磁辐射发射出去；导电壳体将电介质体从馈送段至发射段基本上围住，在导电壳体中的馈送段内设置有一个馈送口，并且在导电壳体(3)的发射段内有一个发射口(7)。本发明的任务在于：阐述一种能够以简单方式制造、具有很少干扰并且结构较短的介质天线。按照本发明所述，使得电介质体(2)在馈送段(4)区域内基本上具有发射口(7)的横截面，即可基本上解决上述任务。

Description

介质天线
技术领域
本发明涉及一种介质天线(dielektrische Antenne)，至少部分包括电介质体以及导电壳体；其中可以在馈送段上对电介质体施加电磁辐射，并且可以通过透镜状成形的发射段至少部分地将该电磁辐射从电介质体发射出去；导电壳体将电介质体从馈送段至发射段基本上围住，在导电壳体中的馈送段区域内设置有馈送口，并且在导电壳体中的发射段区域中设置有发射口。
背景技术
已知介质天线均用不同技术制成，具有十分不同的结构形式。但这些介质天线的共同之处在于：均使用电介质材料、尤其使用损耗特别小的电介质材料来传导、发射电磁波。已知可用于电介质体的电介质材料例如有：聚四氟乙烯，聚丙烯，或者其它具有较小介电常数的电介质。
在工业过程测量技术领域，经常例如将介质天线用于填充位置测量。就这些(但也包括其它)应用领域而言，如果所使用的天线具有尽可能窄的主发射方向、同时还具有尽可能紧凑的结构，则特别有益。但这些要求在必须被用于其技术实施的结构性措施方面相互矛盾。已知只有通过较大的发射段孔径(即开口面积)，才能在主发射方向实现窄方向性。为了在较窄的主发射方向的意义上也能利用该孔径，从透镜发送区域发射的电磁辐射必须具有尽可能平坦的相前沿，其中利用逐渐增大的天线长度，可以较为简单地实现这种平坦的相前沿，这同样也有悖于所需的紧凑结构形式。
已知的介质天线，除了难以在结构紧凑的同时实现较窄的主发射方向，还具有另一个缺点，该缺点与电磁馈送元件(空心导体(Hohlleiter))与电介质体或者与电介质材料构成的透镜之间的相对布置有关。
就电磁馈送元件与电介质体相互直接接触的天线结构而言，电介质体至少被部分电磁馈送元件所包围，也就是被导电壳体所包围。如果这里所述导电壳体从馈送段直至发射段“基本上”围住的电介质体，这就意味着用于限制电磁辐射的导电壳体不必正好延伸至发射段边缘，因为基于所选择的壳体几何结构，施加在馈送段中的电磁辐射有可能无法到达电介质体的这一末端区域。也意味着壳体不必是按照光学理解的“密封”的壳体，因为视所选择的电磁辐射而定，由充分密度的导电格网也能实现所需的反射效果。
在其它的结构形式中，电磁馈送元件(空心导体)与电介质体或者电介质材料构成的透镜相隔一定距离布置，使得馈送元件与电介质体之间形成间隙。
上述两种实施例的缺点在于：例如很难实现适合于卫生应用的结构形式。对于电介质体至少部分被导电壳体围住的天线的实现结构而言，除了总归结构设计要求极高之外，还有如下附加的缺点：导电壳体与电介质体共同延伸直到向外伸出的天线部分，比较暴露，并且因此容易弄脏。在电磁馈送元件和电介质体之间具有间隙的天线结构中，则存在朝向该间隙的天线表面被弄脏的危险；此外还因为存在间隙而难于应用在过压和欠压应用。
此外这种在发射方向具有锥形开口形状、且具有锥形成形的导电壳体的介质天线还存在以下明显缺点：这种有角度(但并非直角)的设计结构制造成本比较高，使得存在这样的意向，即找到以更加简单、成本更加低廉的方式制造的、发射特性至少可以与现有技术条件下已知天线相媲美的天线结构。
发明内容
因此本发明的任务在于，(至少部分)避免已知介质天线的上述缺点。
上述任务按照本发明首先并且基本上通过所述的介质天线这样解决，即电介质体在馈送段区域内基本上具有发射口的横截面。这样可使得电介质体在其全部延伸长度范围内(沿着主发射方向观察)没有值得一提的横截面变化，以便能够最终可以在发射段中填充发射口。尤其不需要制作(例如)锥形电介质体以及适合于该锥形电介质体的锥形导电壳体。可以用明显低于已知结构的成本来制造按照本发明构型的介质天线。尽管需要略微多一些的电介质材料来制造电介质体，但是优点更加突出。
按照本发明所述介质天线的一种特别适宜的实施形式，导电壳体被设计成罐状(topfartig)，具有柱形侧壁，并且在天线馈送段中具有包括馈送口的底部，其中发射口(又垂直于主发射方向观察)基本上具有柱形侧壁的横截面。
无论是采用切削式生产方法(车削，铣削)，还是采用非切削式生产方法(拉深)，均可简单地制造这种具有柱形侧壁的空心体。导电壳体底部的馈送口用来将电磁辐射导入到电介质体中或者导电壳体内腔中。这里所述的柱形并非指局限于狭义的圆柱形，而是任何适合于传导电磁辐射的横截面几何结构，只要导电壳体以及电介质体的横截面几何形状在主发射方向上看保持不变即可。
有利的是，馈送段附加地由空心导体构成，该空心导体从外侧被装在导电壳体上并且在该馈送口周围，或者所述空心导体被插入该导电壳体中至所述馈送口之中，并且优选伸入到所述电介质体中。这两种情况下均可以用简单的方式和方法建立与电磁馈送源的连接。
就本发明所述介质天线而言，原则上可构造透镜状发射段，使得可以从发射区域输出相前沿尽可能平坦的电磁波。这时应考虑：为了获得平坦的相前沿，电磁辐射的不同部分从馈送段至发射段透镜表面的各个位置的时间必须大致相同；并且由于电介质体和主发射方向上外围空间之间存在介电常数突变，从发射段中的电介质体表面至外围空间的过渡上必定会发生电磁辐射的折射，从而可实现良好的方向特性。
由于从电介质体过渡到外围空间的过渡区域内存在介电常数的突变，也会反射一部分电磁辐射回到天线之中，也就是反射回到电介质体之中。因此本发明所述介质天线构型的有关优点在于：仅有很少一部分被反射回来的电磁辐射进入馈送段或者馈送段的馈送口中并在那里导致不希望的干扰效应；而如果是锥形成形的天线几何结构，这就会引起大得多的问题。
按照本发明所述介质天线的一种特别有益的实施形式，电介质体在与导电壳体相邻的边缘段由一种介电常数小于电介质体其它部分、尤其小于电介质体核心段与发射段的介电常数的电介质构成。采用这种构型可实现，在电介质体的边缘段与核心段之间的边界层上进行电磁辐射的朝向发射区域的在内部的折射。
采用这一措施可使得电磁辐射以直接方式(没有以前的反射现象)到达发射区域之中，而以前在没有低介电常数边缘区域的情况下，电磁辐射会到达向导电壳体的侧壁。此外，到达电介质体的发射段的边缘区域的电磁辐射以比由同一种电介质构成电介质体的情况要平缓的角度到达那里。因此相比较而言，仅需略微地修正穿过透镜状发射段的射线路径，从而使得透镜厚度总体而言能够明显小得多。此外，天线在主发射方向可以被构造得明显较短，以便使与较长的传统介质天线相同的发射口受到辐射以及实现与较长的传统介质天线相同的方向性。这一措施的结果就是介质天线结构很短，并且具有非常平坦的透镜几何结构。
本发明所述介质天线的另一种特别有利的实施形式的特征在于：电介质体在馈送段具有用来吸收反射的电磁辐射分量的馈送侧吸收层。在馈送侧吸收层中，在馈送口区域内设置有一个留空部分，使得施加给电介质体的电磁辐射在进入电介质体时不会被吸收层所阻碍。该吸收层具有吸收电磁辐射、最终将其转化为热量的特性。
为了在电磁辐射从馈送段进入电介质体中时不会出现损耗，尤其可将吸收层设置得与导电壳体相邻、而尤其不是处在电介质体的初级强场的区域内。“初级强场区域”这里指的是被电磁辐射直接透射(即不考虑反射)的电介质体区域。这样就可保证在电介质体内只有例如被导电壳体所反射的电磁辐射射向吸收层，并且不会被进一步地反射。通常并不希望有反射，因为反射会导致发射信号存在噪声并且导致在将要分析的信号中的回波，并且使得分析被介质天线发射的以及接收到电磁辐射变得困难。
按照本发明的另一种优选实施形式，电介质体在与导电壳体相邻的边缘段具有侧面吸收层，该吸收层尤其被设置在朝向导电壳体的侧壁的边缘段中，并且尤其不在电介质体的初级强场区域中。通过这种侧面吸收层可以吸收朝向导电壳体侧壁所反射的以及将要被反射的电磁辐射，并且阻止继续反射。这时如果侧面吸收层与电介质体的馈送段中的馈送侧吸收层相邻地设置，则特别有利。这也特别有助于制成这样一种吸收层。
由于侧面吸收层也没有设置在电介质体的初级强场区域内，使得在主发射方向观察，侧面吸收层呈锥形扩大，并且从而使得由介电常数较小的电介质所构成的电介质体或者电介质体边缘段相应地呈锥形地变尖。
按照本发明进一步规定，馈送侧吸收层或者侧面吸收层由至少一种电活性或者磁活性物质构成，或者含有这样的物质。所谓“电活性或者磁活性(elektrischbzw.magnetisch aktiv)”，指的是存在充分的传导能力，以便可实现被反射的电磁辐射的所希望的吸收。这种吸收层优选由含有导电炭黑(Leitruβ)(例如在陶瓷中用来提高电导率的炭黑)以及/或者含有碳、导电微纤维(Mikrofasern)或者含有其它固有导电材料的合成材料制成。
按照本发明的另一种优选实施形式，透镜状成形的发射段具有用于避免反射的介电适配层。该适配层的厚度约为波长的四分之一，参照所发射的电磁辐射谱的中心频率。该适配层用的材料的介电常数取决于电介质体的介电常数(或者电介质体的核心段与发射段的介电常数)，并且取决于天线周围、在通常应用情况下由空气构成的外围空间的介电常数。在理想情况下，该适配层的材料的介电常数等于上述两个介电常数乘积的平方根。如此设计成的适配层可明显减小在天线与外围空间之间的过渡区域内的干扰反射，并且可减少电介质体内部的与此相关的多重反射。
就本发明所述的天线几何结构而言(尤其当使用馈送侧以及/或者侧面吸收层时)，可以进一步减小电介质体内部的反射或者减小其影响，其方式是成型透镜状发射段，使得被反射回到电介质体中的电磁辐射优选被反射到馈送侧吸收层以及/或者侧面吸收层，但也可反射到介质天线的平坦的、没有加衬(ausgekleideten)的、围住馈送口的馈送侧段之中。
.有利的是，所述电介质体在与该导电壳体相邻的边缘段尤其是朝向该导电壳体的侧壁的边缘段由一种介电常数小于该电介质体其它段、尤其小于该电介质体核心段和发射段的介电常数的电介质构成。
有利的是，该电介质体在馈送段具有用来吸收反射的电磁辐射的馈送侧吸收层，该吸收层在馈送口的区域具有一个留空部分，其中所述馈送侧吸收层尤其与导电壳体相邻，并且尤其不在电介质体的初级强场区域内。
有利的是，该电介质体在与该导电壳体相邻的边缘段中具有侧面吸收层，该侧面吸收层尤其被设置在朝向该导电壳体的侧壁的边缘段之中，尤其不在该电介质体的初级强场区域之中，并且最好与该电介质体的馈送段中的馈送侧吸收层相邻。
有利的是，所述馈送侧吸收层和/或侧面吸收层由至少一种电活性和/或磁活性物质构成，或者含有这些物质，尤其由一种含有固有导电材料例如导电炭黑以及/或者碳纤维以及/或者导电微纤维的合成材料构成。
有利的是，所述透镜状成形的发射段具有用来避免反射的介电适配层。
有利的是，该透镜状的发射段被构造，使得被反射回到所述电介质体之中的电磁辐射优选被反射到该馈送侧吸收层以及/或者侧面吸收层。
有利的是，在该发射段的区域内设置有用来实现卫生连接的固定装置、尤其是O形密封圈，利用它能够将发射侧终端元件可更换地与介质天线相连接。
有利的是，该电介质体利用固定装置尤其能够通过旋拧连接、优选通过O形密封圈而被固定在馈送段中或者被固定在空心导体上，所述O形密封圈被安装在空心导体周围并且与电介质体中的相应的槽接合或者能够与电介质体中的相应的槽接合。
具体而言，有若干可能性可用来构型和改进本发明所述的介质天线。为此一方面可参考上述内容，另一方面也可参考下列实施例说明以及附图。
附图说明
如附图所示
图1一种本发明所述介质天线的示意剖面图，
图2本发明所述介质天线的另一个示意图，包括在边缘段具有较小介电常数材料的电介质体，
图3本发明所述介质天线的另一个剖面示意图，包括一个馈送侧吸收层，
图4附图3所示本发明所述介质天线的示意图，具有反射电磁辐射的被选择的射线路径，
图5一种本发明所述介质天线的剖面示意图，包括一个侧面吸收层，并且包括一个介电透镜上的介电适配层，
图6另一种本发明所述介质天线的剖面示意图，包括一个卫生连接，
图7一种本发明所述介质天线的剖面示意图，包括一种电介质体固定装置，
图8一种本发明所述介质天线的剖面示意图，在吸收段与具有较小介电常数的电介质体边缘段之间具有台阶状过渡段，
图9a，9b垂直于主发射方向的电介质体剖面示意图，具有连续的介电常数剖面，
图10一种本发明所述介质天线的横断面示意图，具有一个侧面机械补偿区域，
图11一种本发明所述介质天线的剖面示意图，具有一个馈送侧机械补偿区域，
图12一种本发明所述介质天线的剖面示意图，具有滴水状尖端。
具体实施方式
图1所示为本发明所述介质天线1的第一种非常简单的实施例，包括一个电介质体2以及一个导电壳体，其中可以在馈送段4上给电介质体2施加电磁辐射，并且可以通过透镜状成形的发射段5至少部分从电介质体2发射电磁辐射。导电壳体3围住在馈送段4中的电介质体2直至发射段5。为了能够将电磁辐射施加给电介质体2，在导电壳体3中在馈送段4中设置有一个馈送口6，并且在导电壳体中在发射段区域内设置有一个发射口7。
图1所示介质天线(与所有其它图所示介质天线一样)的特征在于：电介质体2在馈送段4区域内基本上具有发射口7的横截面。可以用十分简单、成本低廉的方式制造这种天线，因为这里不必将电介质体2或者导电壳体3的轮廓实现成带角度的(并非指直角)。在透镜状成形的发射段5与电介质体中的环境之间的分界面上被反射回来的电磁辐射方面，图中所示的几何结构优于漏斗状几何结构，因为被反射回来的干扰辐射只有很少部分回到馈电口6之中，而否则则在馈送段4的区域中射入到导电壳体3的底部区域。
在图1～8以及图10～12所示的所有介质天线中，导电壳体3呈罐状构造，也就是具有柱形侧壁8，并且在天线1的馈送段4中具有一个带有馈送口6的底部。在如图所示的实施例中，侧壁3构成一个圆柱体，这是一种便于制造的几何结构，并且有利于传导电磁波。在此，发射口7基本上具有柱形侧壁8的横截面(垂直于主发射方向观察)。
在如图所示的所有实施例中，馈送段4均围住一个空心导体10，该空心导体10插入在导电壳体3在馈送口6之中，并且伸入到电介质体2之中，在本实施例中即伸入到由导电壳体3构成的外轮廓的内部之中。空心导体10可利用螺纹安装到导电壳体3之中，空心导体10因此具有一个图中并未详细绘出的外螺纹，这特别有助于将电介质体2固定在导电壳体3之中。为此，电介质体2具有一个相对应的内螺纹。
在图1～6中主要示出了如下实施例，其中电介质体2(至少部分)在与导电壳体3相邻的边缘段11由一种电介质构成，且边缘段11与导电壳体3的侧壁8相邻。边缘段11由介电常数小于电介质体2的其它段的、即尤其小于电介质体2的核心段12与发射段5的电介质构成。采用这种实施形式，使得有可能无法以直接方式从发射段到达发射段5的电磁辐射现在也能以直接方式到达发射段。为了在电介质体2的核心段12与边缘段11之间的分界面上朝向发射段5折射电磁辐射，需要使得边缘段11的介电常数小于电介质体2的核心段12的介电常数。如与图1的比较中可知的，采用这一措施所实现的介质天线结构明显短于使用均质的电介质体2所构成的结构。透镜状成形的发射段5也具有明显略小一些的弧度，因为已经通过使用不同的电介质而准备好从馈送段到达透镜状成形的发射段的电磁辐射，这就是透镜状成形的发射段5的弧度为何可以明显较小的原因。
在图3中，电介质体2在馈送段4具有馈送侧吸收层13，用来吸收被反射的电磁辐射，该吸收层在馈送口6的区域具有一个留空部分。馈送侧吸收层13与导电壳体3相邻地设置，确切地说，它不在电介质体的初级强场区域之中。所谓“初级强场区域”，指的是在没有反射的情况下到达发射口7的电磁辐射所作用的区域。如果吸收层13也设置在这个区域内，将引起不可避免的发射功率损耗。通过吸收层13可以吸收所反射的电磁辐射，最终转化为热量。这样可保证由介质天线1所发射段电磁辐射以及由介质天线1所吸收的电磁辐射尽可能纯净地(不含回波)离开介质天线1或者被介质天线1所吸收。
按照图5所示的介质天线，电介质体2在与导电壳体3相邻的边缘段中具有一个侧面吸收层14，该吸收层设置在朝向导电壳体3侧壁的边缘段之中。该侧面吸收层14也能够吸收并未被进入介质天线发射段5之中、而是进入侧壁8的区域中的电磁辐射。馈送侧吸收层13和侧面吸收层14在介质天线1中构成一个相互关联的区域。在如图所示的实施例中，馈送侧吸收层13和侧面吸收层14由一种合成材料构成，该合成材料中植入了固有导电材料，这里是导电碳纤维。这种导电性使得入射到吸收层13、14之中的电磁场能够基于感应电流与短路电流而骤然减小。
为了进一步减小被反射回来的电磁辐射，在图5中，在透镜状成形的发射段5上还设置有一个可按照前文所述的规则来设计其厚度参数并且选择其介电常数的介电适配层15。
图4所示的介质天线1具有一个透镜状的发射段5，该发射段被构造，使得被反射回到电介质体2之中的电磁辐射基本上被反射到馈送侧吸收层13以及侧面吸收层14上，从而使得返回进入到馈送口6之中的辐射成分非常少，这就是图中所示介质天线1为什么干扰极小的原因。
图6所示的介质天线1在发射段5的区域内具有一个用于实现卫生连接(Hygieneanschlusses)的固定装置17。这种卫生连接尤其是按照所需的尺度密封而防止附着物侵入的。这里，通过一种基于O形密封圈的密封装置来实现卫生连接。此外这种连接还可用来更换发射侧的终端元件，这里为透镜状成形的发射段5的形式。
图7所示为一种利用固定装置将电介质体2固定在馈送段4中或者固定在空心导体10上的介质天线1。按照一种并未示出的变型方式，通过旋拧连接、在本实施例中通过一个O形密封圈16来解决这个，该O形密封圈16安装在空心导体10周围并且与电介质体2中的相应的槽接合或者能够与其接合。
图8示出，可以分段地进行具有较小介电常数以及侧面吸收层14的边缘段11的几何结构的适当适配，这在制造过程中特别易于实现，因此可避免制造按照图5～7所示的锥形配合结构。
图9说明了，也可实现连续的介电常数变化，其方式是在电介质体2中形成准连续的空腔密度。在按照图9a所示的实施例，通过具有不同直径且在电介质体2中具有不同深度的孔18来实现这一点。在图9b中则通过电介质体2中的楔形留空部分19来实现。
图10和11示出了补偿腔20、21的实现，这些补偿腔内填充有弹性材料，或者(在没有示出的实施例中)仅为简单的空腔。在任何情况下，这些补偿腔均可补偿尤其是温度作用下引起的材料膨胀。

Claims (18)

1.一种介质天线，至少部分地具有电介质体(2)以及导电壳体(3)；其中能够在馈送段(4)上对该电介质体(2)施加电磁辐射，并且能够通过透镜状成形的发射段(5)至少部分将电磁辐射从电介质体(2)发射出去；该导电壳体(3)将所述电介质体(2)从馈送段(4)至发射段(5)基本上围住，并且在导电壳体(3)中的馈送段(4)的区域内设置有馈送口(6)，并且在所述导电壳体(3)中的发射段(5)的区域内设置有发射口(7)；其特征在于，所述电介质体(2)在该馈送段(4)的区域内基本上具有发射口(7)的横截面，以及所述电介质体(2)在与该导电壳体(3)相邻的边缘段(11)中由一种介电常数小于该电介质体(2)其它段的介电常数的电介质构成。
2.根据权利要求1所述的介质天线，其特征在于，所述导电壳体(3)呈罐状地被构造，具有柱形侧壁(8)，并且在该天线的馈送段(4)中具有包括馈送口(6)的底部(9)，其中所述发射口(7)垂直于主发射方向地基本上具有所述柱形侧壁(8)的横截面。
3.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，所述馈送段(4)由空心导体(10)构成，该空心导体被装在导电壳体(3)上在该馈送口(6)周围，或者所述空心导体被插入该导电壳体(3)中至所述馈送口(6)之中。
4.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，该电介质体(2)在馈送段(4)具有用来吸收反射的电磁辐射的馈送侧吸收层(13)，该吸收层在馈送口(6)的区域具有一个留空部分。
5.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，该电介质体(2)在与该导电壳体(3)相邻的边缘段中具有侧面吸收层(14)。
6.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，所述透镜状成形的发射段(5)具有用来避免反射的介电适配层(15)。
7.根据权利要求4所述的介质天线，其特征在于，该透镜状的发射段(5)被构造，使得被反射回到所述电介质体(2)之中的电磁辐射被反射到该馈送侧吸收层(13)。
8.根据权利要求5所述的介质天线，其特征在于，该透镜状的发射段(5)被构造，使得被反射回到所述电介质体(2)之中的电磁辐射被反射到侧面吸收层(14)。
9.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，在该发射段(5)的区域内设置有用来实现卫生连接的固定装置(17)，利用它能够将发射侧终端元件可更换地与介质天线相连接。
10.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，该电介质体(2)利用固定装置被固定在馈送段(4)中或者被固定在空心导体(10)上。
11.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，所述馈送段(4)由空心导体(10)构成，该空心导体被装在导电壳体(3)上在该馈送口(6)周围，或者所述空心导体被插入该导电壳体(3)中至所述馈送口(6)之中并且伸入到所述电介质体(2)之中。
12.根据权利要求1所述的介质天线，其特征在于，所述边缘段(11)是朝向该导电壳体(3)的侧壁(8)的边缘段(11)。
13.根据权利要求1或2所述的介质天线，其特征在于，所述电介质体(2)在与该导电壳体(3)相邻的边缘段(11)中由一种介电常数小于该电介质体(2)核心段(12)和发射段(5)的介电常数的电介质构成。
14.根据权利要求4所述的介质天线，其特征在于，所述馈送侧吸收层(13)与导电壳体(3)相邻。
15.根据权利要求4所述的介质天线，其特征在于，所述馈送侧吸收层(13)与导电壳体(3)相邻并且不设置在电介质体(2)的初级强场区域内。
16.根据权利要求5所述的介质天线，其特征在于，该侧面吸收层被设置在朝向该导电壳体(3)的侧壁(8)的边缘段之中。
17.根据权利要求5所述的介质天线，其特征在于，该侧面吸收层不设置在该电介质体(2)的初级强场区域之中。
18.根据权利要求5所述的介质天线，其特征在于，该侧面吸收层与该电介质体(2)的馈送段(5)中的馈送侧吸收层(13)相邻地设置。
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