CN106450770B - 一种天线及小型化通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种天线及小型化通信设备，该天线包括天线辐射单元11，该天线辐射单元11包括位于同一中心轴上的高频辐射单元111与低频辐射单元112，高频辐射单元111位于低频辐射单元112中，且通过隔离结构114与低频辐射单元112隔离。该天线体积小，频段覆盖范围广，能够提升小型化通信设备的信号覆盖效果。

Description

一种天线及小型化通信设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种天线及小型化通信设备。

背景技术

天线是无线通信系统中最重要的部件之一。随着移动通信技术的迅速发展和应用，现代通信设备逐渐向小型化、集成化、多功能的方向发展，而天线的尺寸是制约通信设备进一步小型化的瓶颈之一，因而设计小型化、集成化、多功能天线己成为当前研究的重点。

现有技术中，包括基站在内的通信设备通常使用分布式天线系统(DAS，distributed antenna system)，以获得较好的信号覆盖效果，但DAS体积过大，无法满足通信设备对于天线小型化的要求。

发明内容

本发明实施例提供了一种天线，体积小，覆盖频段广。本发明实施例还提供了一种小型化通信设备。

第一方面，本发明实施例提供了一种天线，用于小型化通信设备，所述天线包括天线辐射单元；所述天线辐射单元包括位于同一中心轴上的高频辐射单元与低频辐射单元，其中，所述高频辐射单元位于所述低频辐射单元中，所述高频辐射单元通过隔离结构与所述低频辐射单元隔离。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述高频辐射单元为对称结构；所述低频辐射单元为对称结构。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，第一方面的第二种可能的实现方式，所述低频辐射单元包括低频垂直电振结构组以及低频水平磁振结构。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，第一方面的第三种可能的实现方式，所述低频水平磁振结构为对称的N边形环状平面金属结构或圆环状平面金属结构，其中，N边形环状平面金属结构是指外轮廓为N边形且内侧为圆环状的平面金属结构，N为大于或等于3的整数。

结合第一方面的第二种可能的实现方式或第一方面的第三种可能的实现方式，第一方面的第四种可能的实现方式，所述低频垂直电振结构组包括多个对称设置的T型馈电结构。

结合第一方面的第二种可能的实现方式到第一方面的第四种可能的实现方式中的任意一种，第一方面的第五种可能的实现方式，所述低频垂直电振结构组位于所述低频水平磁振结构下方，且与所述低频水平磁振结构之间存在间隙。

结合第一方面的第二种可能的实现方式到第一方面的第五种可能的实现方式中的任意一种，第一方面的第六种可能的实现方式，所述高频辐射单元位于所述低频辐射单元中，包括，所述高频辐射单元位于所述低频水平磁振结构下方，且在所述低频垂直电振子组内侧。

结合第一方面的第三种可能的实现方式到第一方面的第六种可能的实现方式中的任意一种，第一方面的第七种可能的实现方式，所述高频辐射单元通过隔离结构与所述低频辐射单元隔离，包括，所述高频辐射单元通过金属墙与所述低频辐射单元隔离，其中，所述金属墙的形状与所述低频水平磁振结构的形状对应。

结合第一方面的第七种可能的实现方式，第一方面的第八种可能的实现方式，所述金属墙与所述低频垂直电振结构组平行，位于所述低频垂直电振结构组的内侧且在所述高频辐射单元的外侧；所述金属墙的高度高于所述高频辐射单元且低于所述低频水平磁振结构。

结合以上任意一种可能的实现方式，第一方面的第九种可能的实现方式，所述高频辐射单元包括高频垂直电振结构组及高频水平磁振结构。

结合第一方面的第九种可能的实现方式，第一方面的第十种可能的实现方式，所述高频垂直电振结构组包括多个对称设置的T型馈电结构。

结合第一方面的第九种可能的实现方式或第一方面的第十种可能的实现方式，第一方面的第十一种可能的实现方式，所述高频水平磁振结构还包括引向片，所述引向片位于所述高频水平磁振结构上方，且与所述高频水平磁振结构之间存在间隙。

结合第一方面的第四种可能的实现方式或第一方面的第十种可能的实现方式，第一方面的第十二种可能的实现方式，所述T型馈电结构包括顶部的水平金属圆盘以及与所述水平金属圆盘垂直电气相连的金属棒状结构。

第二方面，本发明实施例提供了一种小型化通信设备，包括第一方面中任意一种实施方式所述的天线。

本发明实施例提供了一种天线，包括天线辐射单元，该天线辐射单元包括位于同一中心轴上的高频辐射单元与低频辐射单元，其中，高频辐射单元位于低频辐射单元中，且通过隔离结构与低频辐射单元隔离。该天线体积小，频段覆盖范围广，能够提升小型化通信设备的信号覆盖效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种天线的正视图；

图2是本发明实施例提供的一种天线的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种天线中的高频辐射单元的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种天线中的低频辐射单元的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种天线的输入反射系数S11曲线图；

图6是本发明实施例提供的一种天线在多个频段上的归一化增益方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例描述的技术方案，可适用于多种通信系统，包括2G、3G通信系统和下一代通信系统，例如全球移动通信系统(GSM，Global System for Mobilecommunications)，通用分组无线业务(GPRS，General Packet Radio Service)系统等2G通信系统；码分多址(CDMA，Code Division Multiple Access)系统，时分多址(TDMA，TimeDivision Multiple Access)系统，宽带码分多址(WCDMA，Wideband Code DivisionMultiple Access Wireless)等3G通信系统；长期演进(LTE，Long Term Evolution)系统以及LTE后续演进系统等。

本发明实施例提供的天线可以适用于多种需要进行信号收发的通信设备，例如可以在基站设备中使用，该基站设备可以作为蜂窝通信系统中的宏基站或者微基站。本发明实施例所述的基站设备可以是GSM系统中的基站收发台(BTS，Base TransceiverStation)，WCDMA系统中的节点B(Node B)、LTE通信系统中的演进型节点B(e-NodeB，evolved NodeB)或者LTE后续演进的通信系统中的类似设备、或者接入点(Access Point)等。具体地，本发明实施例提供的天线可以用于基站的射频信号的收发，例如可以安装于基站的发射机或射频拉远单元(RRU，remote radio unit)等装置中。

由于体积小，本发明实施例提供的天线适用于小型化通信设备，例如可以作为室内小基站产品的天线使用。

图1为本发明实施例提供的一种天线的正视图。该天线可以作为小型化通信设备的天线使用。

可以理解，本发明实施例中所述的“多个”指的是两个或两个以上。

如图1所示，该天线包括天线辐射单元11，天线辐射单元11包括位于同一中心轴13上的高频辐射单元111与低频辐射单元112，高频辐射单元111位于低频辐射单元112中，高频辐射单元111通过隔离结构114与低频辐射单元112隔离。

该天线还包括金属地12，天线辐射单元11与金属地12电磁耦合。

其中，该金属地12为平面结构，所述金属地的上下底面均覆盖有介质层。

如图1所示，高频辐射单元111包括高频垂直电振结构组1111及高频水平磁振结构1112。

高频垂直电振结构组1111与高频水平磁振结构1112通过空气介质电磁耦合。

可选地，高频辐射单元111为对称结构。

如图1所示，低频辐射单元112包括低频垂直电振结构组1121以及低频水平磁振结构1122。

低频垂直电振结构组1121与低频水平磁振结构1122通过空气介质电磁耦合。

可选地，低频辐射单元112为对称结构。

需要说明的是，本发明实施例中所述的“对称”是指，对称或者基本对称，包括轴对称或者中心对称或者完全对称，或者基本为轴对称或中心对称或完全对称。其中，基本对称是指允许结构的对称性存在一定范围内的偏差，例如基本对称的两条边长度不等，且允许长度偏差小于30％；以及，每两个相邻的两条边到中心的连线之间的夹角基本相等，例如允许相邻两条边到中心位置的连线的夹角的偏差可以在30°以下。可以理解，在允许范围内的上述长度偏差和夹角偏差的任意一种组合都落在本发明实施例的保护范围内，上述允许的长度偏差或这夹角偏差不影响本发明技术方案的技术效果。

图2是本发明实施例提供的一种天线的结构示意图。如图1及图2所示，天线辐射单元11以金属地12为参照面设置。具体地，高频垂直电振结构组1111或低频垂直电振结构组1121均与金属地12垂直；高频水平磁振结构1112或低频水平磁振结构1122均平行于金属地12。

如图1及图2所示，高频辐射单元111位于低频辐射单元112中，具体包括，高频辐射单元111位于低频水平磁振结构1122下方，且在低频垂直电振结构组1121内侧。

可选地，当高频辐射单元111位于低频水平磁振结构1122的正下方时，中心轴13可以是连接高频辐射单元111与低频辐射单元112的中心位置的直线。中心轴13垂直于金属地12。

可以理解，上述中心位置可以是高频辐射单元111或低频辐射单元112的几何中心所在的位置。该几何中心包括垂心、重心、内心、外心等数学意义上的位置，在同一个结构中，这几类几何中心可以是重合的，也可以是不重合的。本领域技术人员可以根据实验或经验选取合适的几何中心处或几何中心附近设计中心轴13，并以中心轴13为基准设置高频辐射单元111与低频辐射单元112，本发明实施例对此不做特别限定。

可选地，高频辐射单元111的整体高度在30mm以下；低频辐射单元112的整体高度在65mm以下；高频辐射单元111的宽度在60mm以下，隔离结构114的宽度在110mm以下；低频辐射单元112中的低频水平磁振结构1122的直径在116mm以下；低频辐射单元112的整体宽度在126mm以下。

可选地，高频辐射单元111的工作频段在1.71GHz到2.69GHz之间；低频辐射单元112的工作频段在0.69GHz到0.96GHz之间。

可以理解，天线辐射单元11中各部件的尺寸和天线的工作频段相关，例如，低频辐射单元112的尺寸越大，工作频段相对越低。

可选地，高频垂直电振结构组1111包括多个对称设置的T型馈电结构。

可选地，低频垂直电振结构组1121包括多个对称设置的T型馈电结构。

图3是高频辐射单元111的结构示意图。图4是低频辐射单元112的结构示意图。

如图3及图4所示，上述高频垂直电振结构组1111或低频垂直电振结构组1121中的T型馈电结构可以包括顶部的水平金属圆盘以及与该水平金属圆盘垂直电气相连的金属棒状结构。其中，将T型馈电结构的顶部设计为水平金属圆盘，可以拓宽驻波带宽，保证耦合效果。

可以理解，上述金属棒状结构或水平金属圆盘的形状及尺寸可以根据天线性能需求进行适当的调整，本发明实施例对此不做任何限定。

T型馈电结构的数量可以根据天线部件的实际性能需求确定，考虑到天线的小型化要求，可以将T型馈电结构的数量配置为2根，3根或4根。此外，低频垂直电振结构组1121中的T型馈电结构数量和高频垂直电振结构组1111中的T型馈电结构数量可以相同，也可以不同。

可选地，高频垂直电振结构组1111或低频垂直电振结构组1121中的T型馈电结构的底部为探针，探针穿过金属地12上的孔洞，该孔洞的面积大于探针的面积，即探针不与孔洞边缘接触。探针与孔洞之间形成空间结构，实现对电偶极子的电磁激励。

可选地，低频水平磁振结构1122可以是对称的N边形环状平面金属结构，其中，N边形环状平面金属结构是指外轮廓为对称的N边形且内侧为圆环状的平面金属结构，N≥3，N为整数。

作为一个示例，如图3所示，低频水平磁振结构1122为对称的八边形环状平面金属结构，即低频水平磁振结构1122是外轮廓为对称的八边形且内侧为圆环状的平面金属结构。

可选地，作为本发明的另一个实施例，低频水平磁振结构1122也可以是圆环状平面金属结构。

低频水平磁振结构1122的内侧设计为圆环状可以保证高频辐射单元111正常辐射信号。

可以理解，低频水平磁振结构1122内侧的圆环的圆心可以在中心轴13上，也可以以中心轴13为基准平移一定距离，则内侧圆环到外轮廓的相对侧边的距离可以相等，也可以不相等。以低频水平磁振结构1122的外轮廓为对称的四边形为例，若内侧的圆环的圆心位于该四边形的中心位置，则圆环到外轮廓的各侧边的距离相等；若内侧的圆环的圆心位于该四边形的中心位置的上方，圆环相应地向上方平移了一定距离，则圆环到外轮廓到上侧边的距离小于到下侧边的距离。圆心向左侧、右侧、下侧平移的情况类似，不再赘述。可以理解，圆环的位置平移不会影响整个低频水平磁振结构1122是一个对称的结构。

可选地，低频水平磁振结构1122可以由一层金属材料构成；也可以由多层金属材料构成，且各层金属材料间可以包含有介质填充材料。

图中未示，低频水平磁振结构1122可以通过绝缘结构件固定在金属地上，例如采用塑料结构件固定。

低频垂直电振结构组1121与低频水平磁振结构1122通过空气介质实现电磁耦合。具体地，如图2及图4所示，低频垂直电振结构组1121中的各个T型馈电结构的顶部在低频水平磁振结构1122下方，且与低频水平磁振结构1122存在间隙。该T型馈电结构的顶部的垂直投影与低频水平磁振结构1122，即从俯视角度看，该T型馈电结构顶部的水平金属圆盘有部分被低频水平磁振结构1122遮挡，剩余部分则未被遮挡。可以理解，设置上述结构是为了保证低频垂直磁振结构组1121和低频水平磁振结构1122之间的耦合效果。通过调节上述水平金属圆盘被低频水平磁振结构1122遮挡的比例可以改变低频垂直电振结构组1121和低频水平磁振结构1122间的耦合情况，该遮挡的比例的具体值可以根据天线的性能需求，包括天线工作的频段、驻波、以及方向图增益等因素确定，本发明实施例对比不做特别限定。

作为本发明的一个实施例，高频辐射单元111通过隔离结构14与低频辐射单元112隔离，包括，高频辐射单元111与低频辐射单元112通过金属墙与低频辐射单元112隔离，其中，该金属墙的形状与低频水平磁振结构1122的形状对应。

例如，当低频水平磁振结构1122是外轮廓为对称的四边形且内侧为圆环状的平面金属结构时，该金属墙为对应的四边形结构；当低频水平磁振结构1122是外轮廓为对称的八边形且内侧为圆环状的平面金属结构时，该金属墙为对应的八边形结构；当低频水平磁振结构1122是环形平面金属结构时，该金属墙为对应的圆形结构。

该金属墙可以位于低频垂直电振结构组1121的内侧并在高频辐射单元111的外侧。

该金属墙的高度大于高频辐射单元111的整体高度，且低于低频水平磁振结构1122。

该金属墙可以高于或者低于低频垂直电振结构组1121，或者与低频垂直电振结构组1121等高，本发明实施例对此不做特别限定。

可选地，该金属墙与低频垂直电振结构组1121平行，即垂直于金属地12。

可选地，该金属墙中的相邻墙面高度可以不相等，且间隔的墙面等高。以四边形金属墙为例，四个墙面顺时针依次以a1，a2，a3，及a4表示，其中，a1与a3的高度相等，均为h1；a2和a4的高度相等，均为h2，h1与h2不相等。采用该形状的金属墙，可以保证高频辐射单元111和低频辐射单元112的方向图增益。

本发明实施例中所述的隔离是指电气隔离与近场隔离。其中，近场隔离是指对高频辐射单元111的近场辐射场的隔离。采用本发明实施例提供的隔离结构14，例如金属墙，可以形成一个包围高频辐射单元111的闭合结构，保证高频辐射单元正常辐射，降低高频辐射单元与低频辐射单元向外辐射信号时的相互干扰，可以保证隔离度在-30分贝(dB)以下。

可选地，高频水平磁振结构1112为上下表面均覆盖或镀有金属层的介质板，该介质板可以是印刷电路板(PCB，printed circuit board)。

可选地，上述介质板上下表面的金属层可以包括一层或多层金属。若包含多层金属，各层金属间可以包含介质填充材料。

可选地，上述介质板具有渐变匹配性能，可以拓宽天线的驻波带宽。

可选地，如图3所示，高频辐射单元111还包括安装在高频水平磁振结构1112上方的引向片，该引向片与高频水平磁振结构1112之间存在间隙。

可选地，该引向片的形状可以是圆形，且可以根据目标工作频段确定引向片的具体尺寸，本发明实施例对此不做特别限定。

可选地，高频辐射单元111还包括安装在引向片上方的顶层圆片，顶层圆片的面积小于引向片。

使用顶层圆片或引向片可以提高天线的方向图增益。其中，使用引向片可以使方向图的波宽更窄更收敛。

可选地，如图3所示，在高频辐射单元111的中心位置安装有金属圆柱113，用于固定上述介质板、引向片、顶层圆片等部件，金属圆柱113的下端固定在金属低12上。可以理解，上述介质板、引向片、顶层圆片等部件的中心位置重合，即为高频辐射单元111的中心位置。

本发明提供的天线的工作过程是，激励源通过加载在金属地12与高频辐射单元111及低频辐射单元112的T型馈电结构底部的空间结构实现对电偶极子的电磁激励；同时，T形馈电结构的顶部通过空气介质与水平磁振结构进行电磁耦合，通过上述二者的联合作用，实现天线振子的电磁能量辐射。

本发明实施例提供的天线，包括天线辐射单元，该天线辐射单元包括位于同一中心轴上的高频辐射单元与低频辐射单元，其中，高频辐射单元位于低频辐射单元中，且通过隔离结构与低频辐射单元隔离。该天线体积小，频段覆盖范围广，能够提升小型化通信设备的信号覆盖效果。

以下将举例说明本发明实施例提供的天线部件的应用效果。在该示例中，高频辐射单元和低频辐射单元通过对称的八边形金属墙隔开。高频垂直电振结构组以及低频垂直电振结构组各包括4个T形馈电结构。低频水平磁振结构由周对称的八边形环构成。

该天线中，高频辐射单元的高频水平磁振结构包括：顶层圆片、引向片、介质板。其中，引向片的半径是22.16mm(毫米)，顶层圆片的半径为26.3mm，介质层采用F4B材料，相对介电常数为2.65，损耗角正切为0.003，厚度为0.762mm；高频垂直电振结构组包括4个T型馈电结构，每个T型馈电结构由顶部的水平金属圆盘以及与该水平金属圆盘垂直电气相连的金属棒状结构组成，该金属棒状结构为高15.6mm，半径为1.58mm的圆柱体，水平金属圆盘的半径为4.75mm，厚度为0.77mm。

该天线中，低频辐射单元的低频水平磁振结构组为八边形环状金属平面结构，其中，该八边形环状结构的外边是一个轴对称的八边形，该八边形的一组边长为41.2mm，另一组边长为58.3mm，内环半径为47.3mm。低频垂直电振结构组包括4个T型馈电结构，每个T型馈电结构由顶部的水平金属圆盘以及与该水平金属圆盘垂直电气相连的金属棒状结构组成，该金属棒状结构为高54mm，半径为3.89mm的圆柱体，水平金属圆盘的半径为11.7mm，高度为2mm。

该天线中的金属地为一个正方形平面结构，尺寸为275mm(长)*275mm(宽)*1.5mm(高)。

该天线的整体尺寸为275mm(长)*275mm(宽)*70mm(高)，可覆盖0.69～0.96GHz(吉赫兹)、1.71～2.17GHz、2.4～2.69GHz等多个频段。

上述天线的输入反射系数S11曲线图如附图5所示。

图6为上述天线的0.69GHZ、0.8GHz、0.96GHz、1.71GHz、1.88GHz、2.17GHz、2.4GHz、2.69GHz的归一化增益方向图。如图5可见，在多个频段上，本发明实施例提供的天线均能取得较好的方向图增益。

本发明实施例还提供了一种小型化通信设备，包含本发明实施例中所述的天线，关于该天线的详细描述可以参照本发明其他实施例的说明，在此不做赘述。

该小型化通信设备还可以包括与该天线相连接的射频部分，与其他通信设备进行通信所用的通信端口、电源、基带单元等装置或部件，各装置或部件的功能可以参照现有技术的描述，在此不做赘述。

该小型化通信设备可以是基站或具有基站功能的设备，例如室内小型化基站产品、室外小基站产品等，也可以是其他有小型化需求的通信设备，本发明实施例对此不做特别限定。

本发明实施例提供的小型化通信设备，采用的天线体积小，频段覆盖范围广，信号覆盖效果佳。

本领域普通技术人员可以理解，本文中所公开的各种结构仅为示例性质。除了上述实施例中描述的内容之外，根据具体应用场合的需要，本发明公开的各种结构可以有适当变动。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同结构来实现，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种天线，其特征在于，用于小型化通信设备，所述天线包括天线辐射单元；

所述天线辐射单元包括位于同一中心轴上的高频辐射单元与低频辐射单元，所述低频辐射单元包括低频垂直电振结构组以及低频水平磁振结构，其中，所述高频辐射单元位于所述低频辐射单元的低频水平磁振结构下方，且在所述低频垂直电振结构组内侧，所述高频辐射单元通过隔离结构与所述低频辐射单元隔离，所述隔离结构形成一个包围所述高频辐射单元的闭合结构；

所述高频辐射单元通过隔离结构与所述低频辐射单元隔离，包括，所述高频辐射单元通过金属墙与所述低频辐射单元隔离，其中，所述金属墙中的相邻墙面高度不相等，且间隔的墙面等高。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述高频辐射单元为对称结构；所述低频辐射单元为对称结构。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述低频水平磁振结构为对称的N边形环状平面金属结构或圆环状平面金属结构，

其中，N边形环状平面金属结构是指外轮廓为N边形且内侧为圆环状的平面金属结构，N为大于或等于3的整数。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述低频垂直电振结构组包括多个对称设置的T型馈电结构。

5.根据权利要求3-4任一项所述的天线，其特征在于，所述低频垂直电振结构组位于所述低频水平磁振结构下方，且与所述低频水平磁振结构之间存在间隙。

6.根据权利要求3-4任一项所述的天线，其特征在于，所述金属墙的形状与所述低频水平磁振结构的形状对应。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述金属墙与所述低频垂直电振结构组平行，位于所述低频垂直电振结构组的内侧且在所述高频辐射单元的外侧；

其中，所述金属墙的高度高于所述高频辐射单元，且低于所述低频水平磁振结构。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述高频辐射单元包括高频垂直电振结构组及高频水平磁振结构。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述高频垂直电振结构组包括多个对称设置的T型馈电结构。

10.根据权利要求8或9所述的天线，其特征在于，所述高频水平磁振结构还包括引向片，所述引向片位于所述高频水平磁振结构上方，且与所述高频水平磁振结构之间存在间隙。

11.根据权利要求4或9所述的天线，其特征在于，所述T型馈电结构包括顶部的水平金属圆盘以及与所述水平金属圆盘垂直电气相连的金属棒状结构。

12.一种小型化通信设备，其特征在于，包括权利要求1-11任一项所述的天线。

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