CN107394356B - 用于gps和sdars频带的cpw馈电圆形极化贴花天线 - Google Patents

用于gps和sdars频带的cpw馈电圆形极化贴花天线 Download PDF

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Abstract

一种薄膜柔性天线，具有特定应用以粘附到车辆玻璃，其中，所述天线能操作从例如GPS和SDARS卫星接收右手或左手圆形极化信号。所述天线是形成到基底上的印制平面天线，且包括具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边。T形线调谐短柱从一个侧边延伸到所述槽中，弯曲马刺线调谐短柱从周边部分的两个侧边相交的角部延伸且延伸到所述槽中，与周边部分电绝缘的辐射元件延伸到所述槽中。所述周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐。

Description

用于GPS和SDARS频带的CPW馈电圆形极化贴花天线
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年5月6日提交的标题为“ CPW-Fed Circularly PolarizedApplique Antennas for GPS and SDARS Bands”的美国临时专利申请序列第62/332,628号的优先权日期的权益。
技术领域
本发明总体上涉及一种配置在电介质基底上的薄膜柔性宽频带天线，且更具体地涉及薄膜柔性宽频带共面波导体（CPW）天线，可包括透明导体，从而允许天线粘附到车辆玻璃的可见部分上，其中，天线可操作接收用于GPS/GNSS频带的右手圆形极化信号或者用于卫星数字音频无线电业务（SDARS）频带的左手圆形极化信号。
背景技术
现代车辆采用各种类型和许多类型的天线来接收和发射用于诸如陆地无线电（AM/FM）、蜂窝电话、卫星无线电、专用短程通信（DSRC）、GPS等的不同通信系统的信号。此外，蜂窝电话正在扩展成需要两个天线以提供多输入多输出（MIMO）信号的4G长期演进（LTE）。用于这些系统的天线通常安装于车辆的车顶以便提供最大的接收能力。此外，这些天线中的许多天线通常整合于安装于车辆的车顶的共用结构和壳体内，诸如“鲨鱼鳍”车顶安装式天线模块。随着车辆上的天线的数量增加，以有效方式容纳所有天线并提供最大的接收能力所需的结构的大小也增加，这妨碍车辆的设计和造型。因此，汽车工程师和设计师正在车辆上寻找可能不妨碍车辆设计和结构的其它合适的区域以放置天线。
这些区域中的一个是车辆玻璃，诸如车辆挡风玻璃，其具有优点，因为玻璃通常形成用于天线的良好的电介质基底。例如，在本领域中已知在车辆的玻璃上印制AM和FM天线，其中印制的天线在玻璃内被制造为单件。然而，这些已知的天线通常是受限的，因为它们仅能够在不需要通过玻璃观察的区域中被放置在车辆挡风玻璃或其它玻璃表面中。
对于接收卫星信号（例如，GPS、GNSS、SDARS、GLONASS、卫星无线电等）的那些天线，所发射的信号是左手或右手圆形极化的，因为电离层用于旋转所发射的信号，这否则将影响线性极化信号。因而，需要能够安装在车辆玻璃上且能应用于接收右手或左手圆形极化信号的合适天线。
发明内容
本发明公开并描述了一种薄膜柔性天线，具有特定应用以粘附到车辆上的电介质基底，例如车辆玻璃，其中，所述天线具有宽频带天线几何形状，且能操作从例如GPS和SDARS卫星接收右手或左手圆形极化信号。所述天线是形成到基底上的印制平面天线，且包括具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边。T形线调谐短柱从一个侧边延伸到所述槽中，弯曲马刺线（spur-line）调谐短柱从周边部分的两个侧边相交的角部延伸且延伸到所述槽中，与周边部分电绝缘的辐射元件延伸到所述槽中。所述周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐。
方案1. 一种天线结构，包括：
电介质结构；
通过粘合剂层粘附到所述电介质结构上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，从周边部分的两个侧边相交的角部延伸且延伸到所述槽中；和辐射元件，所述辐射元件与周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐。
方案2. 根据方案1所述的天线结构，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号的相位调谐。
方案3. 根据方案2所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号。
方案4. 根据方案1所述的天线结构，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于左手圆形极化信号的相位调谐。
方案5. 根据方案4所述的天线结构，其中，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
方案6. 根据方案1所述的天线结构，其中，所述周边部分是正方形。
方案7. 根据方案1所述的天线结构，还包括电联接到周边部分和天线元件的馈电结构。
方案8. 根据方案7所述的天线结构，其中，所述馈电结构是共面波导体馈电结构。
方案9. 根据方案8所述的天线结构，还包括连接到所述共面波导体馈电结构的同轴连接器。
方案10. 根据方案1所述的天线结构，其中，电介质结构是车辆窗户。
方案11. 根据方案10所述的天线结构，其中，车辆窗户是挡风玻璃。
方案12. 根据方案10所述的天线结构，其中，平面天线包括透明导体。
方案13. 根据方案1所述的天线结构，其中，薄膜基底选自包括聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基底的组。
方案14. 一种天线结构，包括：
车辆窗户；
通过粘合剂层粘附到所述车辆窗户上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，从周边部分的两个侧边相交的角部延伸且延伸到所述槽中；和辐射元件，所述辐射元件与周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号或左手圆形极化信号的任一相位调谐。
方案15. 根据方案14所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
方案16. 根据方案14所述的天线结构，其中，车辆窗户是挡风玻璃。
方案17. 根据方案14所述的天线结构，其中，平面天线包括透明导体。
方案18. 根据方案14所述的天线结构，其中，所述周边部分是正方形。
方案19. 一种天线结构，包括：
电介质结构；
通过粘合剂层粘附到所述电介质结构上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有正方形外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，从周边部分的两个侧边相交的角部延伸且延伸到所述槽中；和辐射元件，所述辐射元件与周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号或左手圆形极化信号的任一相位调谐。
方案20. 根据方案19所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的额外特征将变得显而易见。
附图说明
图1是示出车辆挡风玻璃的车辆的前视图；
图2是示出车辆后窗的车辆的后视图；
图3是包括在其上形成的薄柔性天线的车辆窗户的轮廓图；
图4是包括能操作接收右手圆形极化GPS信号的CPW天线结构的天线结构的俯视图；
图5是安装到弯曲车辆玻璃的图4所示天线结构的等距视图；
图6是包括用于图4所示天线结构的同轴电缆馈电线的CPW天线馈电结构的图示；
图7是包括能操作接收左手圆形极化SDARS信号的CPW天线结构的天线结构的俯视图；
图8是包括能操作接收右手圆形极化GPS信号的CPW天线结构的天线结构的俯视图；和
图9是包括能操作接收左手圆形极化SDARS信号的CPW天线结构的天线结构的俯视图。
具体实施方式
涉及适合于粘附到弯曲电介质结构的薄膜柔性宽频带天线的本发明的实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明或其应用或用途。例如，本文的讨论涉及天线适用于被粘附到汽车玻璃。然而，如本领域技术人员将理解的那样，除了汽车结构之外和除了透明或半透明表面之外，天线将针对其它电介质结构具有应用。
图1是包括车身12、车顶14和挡风玻璃16的车辆10的前视图，并且图2是车辆10的后视图，其示出后窗18。
如下文将详细讨论的，本发明提出能安装在车辆10的挡风玻璃16、后窗18或任何其它窗户或电介质基底上的薄膜柔性宽频带CPW天线结构，其中，天线结构是柔性的，以符合特定电介质结构的形状，其中，天线结构可以安装在电介质结构上任何合适位置处，包括车辆驾驶员需要看穿的挡风玻璃16上的位置。天线结构具有用于接收圆形极化信号（例如，GPS和SDARS信号）的特定应用。在一个实施例中，天线结构是通过合适粘合剂直接安装在电介质结构的表面上的宽频带单极贴花天线（applique antenna）。天线结构可以设计成在各种物理厚度和电介质属性的汽车玻璃上操作，其中，天线结构在安装在玻璃或其它电介质上时根据预期操作，因为在设计过程中，玻璃或其它电介质在天线几何形状图案开发中被考虑。
图3是包括挡风玻璃22的天线结构20的轮廓图，挡风玻璃22具有外玻璃层24、内玻璃层26和位于它们之间的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)层28。结构20包括在薄柔性膜基底32上形成的天线30，薄柔性膜基底32例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯（BoPET）、聚酯薄膜、柔性玻璃基底、Kapton等，且通过粘合剂层34粘附到层26的表面上。粘合剂层34可以是有效地允许基底32紧固到玻璃层26上的任何合适粘合剂或传送带（“transfer tape”，或胶带），此外，如果天线30位于玻璃层26的可见区域中，粘合剂或传送带可以是透明的或者几乎透明的，从而对外观和光透射具有微小的影响。天线30可以通过低RF损失钝化层36保护，例如帕利灵（parylene）。天线连接器38显示为连接到天线30且可以是任何合适的RF或微波连接器，例如直接引线或者同轴电缆连接。虽然天线30显示为联接到内玻璃层26的内表面，但是导体30可以粘附到外玻璃层24的外表面，或者层24或26的靠近PVB层28的表面，或者PVB层28的表面。
天线30可以由任何合适低损失导体形成，例如铜、金、银、银陶瓷、金属网/网格等。如果天线30处于车辆玻璃上需要驾驶员或其他车辆乘员通过玻璃看的位置，那么天线导体可以是任何合适透明导体，例如氧化铟锡（ITO）、银纳米线、氧化锌（ZnO）等。在由透明导体制成时天线30的性能可以通过沿天线30边缘添加导电框架而提高，如本领域已知的那样。
汽车玻璃的厚度可以在大约2.8 mm-5 mm内变化，且具有在4.5-7.0范围内的相对介电常数εr。天线30包括单层导体和共面波导体（CPW）馈电结构以激励天线辐射器。CPW馈电结构可以配置用于以适合于CPW馈电线或引线或同轴电缆的方式安装连接器38。当CPW线的连接器38或引线连接完成时，天线30可以用钝化层36保护。在一个实施例中，当天线30安装在玻璃上时，可以去除传送带的支承层。通过在车辆挡风玻璃22的内表面上提供天线导体，可以减少由环境和天气条件引起的天线30降级。
如上文所讨论的，期望提供车辆上的天线，所述天线是透明的且可以以相符的方式整合到弯曲挡风玻璃或车辆玻璃。本发明提出在安装或整合在车辆玻璃上时能操作接收具有合适极化的GPS或SDARS频带信号的天线结构。天线结构成形和图案化为透明导体和共面结构，其中，天线和接地导体两者在同一层上印制。天线可以使用由透明导电氧化物和银纳米线制成的低成本薄膜，具有环绕天线元件的高导电性金属框架。
在一个实施例中，天线结构是CPW馈电正方形槽天线的变体，具有T形线和马刺线以产生适合于车辆玻璃弯曲表面的圆形极化信号。图4是具有以GPS频带操作以接收右手圆形极化信号的应用且是可以紧固到车辆玻璃的本文讨论类型的天线结构40的俯视图。例如，图5是通过粘合剂层48紧固到弯曲车辆玻璃46的表面44上的天线结构40的等距视图42。天线结构40包括具有正方形外周边部分54的导电接地平面50，正方形外周边部分54中限定正方形槽52，连同天线结构40的其它导电部分一起在合适基底（未示出）（例如，聚酯薄膜）上图案化。接地平面50包括从周边部分54的一个侧边延伸到槽52中的T形线调谐短柱56，其中，短柱56包括线部分58和T形端60。接地平面50还包括马刺线调谐短柱64，电联接到周边部分54的一个角部且延伸到槽52中，其中，调谐短柱64包括成角度部分66和笔直部分68。天线辐射元件70也延伸到槽52中，且终止于槽52的中心部分靠近T形线调谐短柱56的T形端60。元件70包括馈电线部分72，馈电线部分72位于周边部分54中的间隙74内且与其电绝缘，其中，馈电线部分72是CPW馈电结构76的一部分。
当天线结构40接收GPS信号时，电流在周边部分54中产生且围绕槽52传播。调谐短柱56和58接收那些电流且将它们往回反射到周边部分54，这改变信号的相位。圆形极化通过在周边部分54的垂直部段中传播的电流之间的90º相位差提供。T形线调谐短柱56提供从周边部分54到辐射元件70的电流耦合。调谐短柱56和64的长度、调谐短柱64从周边部分54延伸的角度等均针对感兴趣的特定频带选择性地优化。在该实施例中，GPS信号是右手圆形极化信号，因而电流以逆时针方向传播。对于1.575 GHz的GPS信号中心，T形线调谐短柱56和马刺线调谐短柱64具有不同的几何形状和角度，导致~30%的改进阻抗带宽、~16.3%的3-db轴向比带宽、3 dBic的增益、以及在大于+-45°的范围内伸展的中心频率处的轴向比射束宽度。
任何合适的馈电结构可以用于馈电天线元件70。图6是示出一个合适示例的CPW天线馈电结构76的俯视剖视图。在该实施例中，同轴电缆80提供用于馈电结构76的进入信号线，且包括电联接到馈电线部分72的内部导体82和电联接到周边部分54的外部接地导体84，其中，导体82和84通过绝缘体86分开。
图7是具有以SDARS频带操作以接收左手圆形极化信号的应用且是可以紧固到车辆玻璃的本文讨论类型的天线结构100的俯视图。天线结构100具有与天线结构40类似的配置，其中，天线结构100包括具有正方形外周边部分104的导电接地平面102，正方形外周边部分104中限定正方形槽106。接地平面102包括T形线调谐短柱108和马刺线调谐短柱110，其中，调谐短柱108处于周边部分104的与调谐短柱56相对的侧边上，马刺线调谐短柱110处于与用于右手圆形极化信号的调谐短柱64相对的角部处，如图所示。天线结构100还包括天线辐射元件112，具有位于间隙116内的馈电线部分114，馈电线部分114是馈电结构118的一部分。对于SDARS信号（在北美包括频带2320-2345 MHz中的Sirius™和XM™）的实施例，T形线调谐短柱108和马刺线调谐短柱110具有不同的几何形状和角度，导致~39%的改进阻抗带宽、~20%的3-db轴向比带宽、3 dBic的增益、以及在大于+-45°的范围内伸展的中心频率处的轴向比射束宽度。
上文针对共面圆形极化天线结构讨论的实施例提供所讨论的优势，且可以定位在车辆玻璃上在金属结构附近，例如车辆车顶，因为外周边部分54和104以本领域技术人员理解的方式操作为防止表面波从其向外辐射的频率选择表面。然而，这些设计确实占用一些地方且具有接地平面所需的附加铜图案化。如果靠近天线的导电表面不是问题，那么可以提供需要更少面积和更少接地金属的其它共面圆形极化天线结构。例如，另一个实施例包括也具有接收GPS和SDARS圆形极化信号的应用的共面波导体套筒单极天线结构。
图8是也以GPS频带操作但是在该实施例中能操作接收右手圆形极化信号的天线结构120的俯视图，其中，天线结构120是本文所讨论类型的薄膜柔性共面槽型天线，包括在薄柔性基底上印制的图案化导体。天线结构120包括导电接地平面122，具有在其中形成的槽124和倒L形调谐套筒128，调谐套筒128具有作为接地平面122的一部分联接的竖直部分130和水平部分132。导电单极辐射元件136定位靠近调谐套筒128，但是与其电绝缘，且包括位于槽124内的馈电部分138。可以提供任何合适馈电结构以馈电辐射元件136，例如图6所示的馈电结构76。辐射元件136包括从竖直部分144朝向套筒128的竖直部分130延伸的第一水平部分140和第二水平部分142，如图所示。当天线结构120接收GPS信号时，电流在套筒128的正交部分130和132中以及辐射元件136中以彼此正交的水平和竖直方向两者产生，以产生右手圆形极化信号。
对于频带1574.4 - 1576.4 MHz中的GPS信号，接地平面122可以具有80 mm的长度和13.6 mm的宽度，竖直部分130可以具有20 mm的长度，水平部分132的长度和竖直部分144的宽度组合可以是14 mm。此外，竖直部分130和水平部分142之间的间隙150可以是1.9167mm，水平部分132和水平部分142之间的间隙152可以是0.8379 mm，水平部分132和竖直部分144之间的间隙可以是0.9080 mm，水平部分140和接地平面122之间的间隙156可以是1.9774 mm。
图9是也以SDARS频带操作但是在该实施例中能操作接收左手圆形极化信号的天线结构160的俯视图，其中，天线结构160是本文所讨论类型的薄膜柔性共面槽型天线，包括在薄柔性基底上印制的图案化导体。天线结构160类似于天线结构120，但是定向为接收左手圆形极化信号，且具有用于SDARS频带的尺寸。天线结构160包括导电接地平面162，具有在其中形成的槽164和倒L形调谐套筒168，调谐套筒168具有作为接地平面162的一部分联接的竖直部分170和水平部分172。导电单极辐射元件176定位靠近调谐套筒168，但是与其电绝缘，且包括位于槽164内的馈电部分178。辐射元件176包括从竖直部分184朝向套筒168的竖直部分170延伸的第一水平部分180和第二水平部分182，如图所示。当天线结构160接收SDARS信号时，电流在套筒168的正交部分170和172中以及辐射元件176中以水平和竖直方向两者产生，以产生左手圆形极化信号。
前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将容易地从这种讨论以及从附图和权利要求中认识到，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，能够在其中作出各种改变、改型和变型。

Claims (20)

1.一种天线结构，包括：
电介质结构；
通过粘合剂层粘附到所述电介质结构上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，延伸到所述槽中，所述弯曲马刺线调谐短柱包括成角度部分和笔直部分，所述成角度部分从外周边部分的两个侧边相交的角部延伸；和辐射元件，所述辐射元件与外周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述外周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐。
2.根据权利要求1所述的天线结构，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号的相位调谐。
3.根据权利要求2所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号。
4.根据权利要求1所述的天线结构，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于左手圆形极化信号的相位调谐。
5.根据权利要求4所述的天线结构，其中，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
6.根据权利要求1所述的天线结构，其中，所述外周边部分是正方形。
7.根据权利要求1所述的天线结构，还包括电联接到外周边部分和天线元件的馈电结构。
8.根据权利要求7所述的天线结构，其中，所述馈电结构是共面波导体馈电结构。
9.根据权利要求8所述的天线结构，还包括连接到所述共面波导体馈电结构的同轴连接器。
10.根据权利要求1所述的天线结构，其中，电介质结构是车辆窗户。
11.根据权利要求10所述的天线结构，其中，车辆窗户是挡风玻璃。
12.根据权利要求10所述的天线结构，其中，平面天线包括透明导体。
13.根据权利要求1所述的天线结构，其中，薄膜基底选自包括聚酯薄膜、Kapton、PET和柔性玻璃基底的组。
14.一种天线结构，包括：
车辆窗户；
通过粘合剂层粘附到所述车辆窗户上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，延伸到所述槽中，所述弯曲马刺线调谐短柱包括成角度部分和笔直部分，所述成角度部分从外周边部分的两个侧边相交的角部延伸；和辐射元件，所述辐射元件与外周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述外周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号或左手圆形极化信号的任一相位调谐。
15.根据权利要求14所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
16.根据权利要求14所述的天线结构，其中，车辆窗户是挡风玻璃。
17.根据权利要求14所述的天线结构，其中，平面天线包括透明导体。
18.根据权利要求14所述的天线结构，其中，所述外周边部分是正方形。
19.一种天线结构，包括：
电介质结构；
通过粘合剂层粘附到所述电介质结构上的薄膜基底；和
与所述粘合剂层相对地形成到基底上的平面天线，所述平面天线包括：具有正方形外周边部分的接地平面，所述外周边部分中限定槽且具有多个侧边；T形线调谐短柱，从一个侧边延伸到所述槽中；弯曲马刺线调谐短柱，延伸到所述槽中，所述弯曲马刺线调谐短柱包括成角度部分和笔直部分，所述成角度部分从外周边部分的两个侧边相交的角部延伸；和辐射元件，所述辐射元件与外周边部分电绝缘且延伸到所述槽中，所述外周边部分能操作产生圆形极化信号以由辐射元件接收，其中，调谐短柱提供圆形极化信号的相位调谐，其中，T形线调谐短柱和马刺线调谐短柱配置成提供用于右手圆形极化信号或左手圆形极化信号的任一相位调谐。
20.根据权利要求19所述的天线结构，其中，右手圆形极化信号是GPS信号，左手圆形极化信号是卫星数字音频无线电业务（SDARS）信号。
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