CN108461894B - 通信装置 - Google Patents

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Abstract

一种通信装置。该通信装置包括：一宽带天线、一反射器以及一第一金属环圈；该宽带天线涵盖一操作频带；该反射器用于反射该宽带天线的辐射能量；该第一金属环圈介于该宽带天线和该反射器之间；其中该宽带天线和该反射器的间距小于该操作频带的中心频率的0.25倍波长。本发明的通信装置不会额外增加通信装置的整体高度和尺寸，并且享有商业化量产的实际应用价值。

Description

通信装置
技术领域
本发明涉及一种通信装置，特别涉及一种通信装置及其天线组件。
背景技术
随着移动通信技术的发达，移动装置在近年日益普遍，常见的例如：手提式计算机、移动电话、多媒体播放器以及其他混合功能的携带型电子装置。为了满足人们的需求，移动装置通常具有无线通信的功能。有些涵盖长距离的无线通信范围，例如：移动电话使用2G、3G、LTE(Long Term Evolution)系统及其所使用700MHz、850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2100MHz、2300MHz以及2500MHz的频带进行通信，而有些则涵盖短距离的无线通信范围，例如：Wi-Fi、Bluetooth系统使用2.4GHz、5.2GHz和5.8GHz的频带进行通信。
由于装置内部空间有限，故其中用于无线通信的天线结构必须尽可能地缩小其尺寸。传统的高指向性天线结构往往受限于其辐射部与反射面之间的距离过大，因此无法应用于各种小型化的装置中。
因此，需要提供一种通信装置来解决上述问题。
发明内容
在较佳实施例中，本发明提供一种通信装置，该通信装置包括：一宽带天线，该宽带天线涵盖一操作频带；一反射器，该反射器用于反射该宽带天线的辐射能量；以及一第一金属环圈，该第一金属环圈介于该宽带天线和该反射器之间；其中该宽带天线和该反射器的间距小于该操作频带的中心频率的0.25倍波长。
在一些实施例中，该反射器为一金属平面。
在一些实施例中，该宽带天线为一钻石形偶极天线。
在一些实施例中，该宽带天线和该反射器的该间距缩短至该操作频带的中心频率的0.125倍波长或更小。
在一些实施例中，该宽带天线和该第一金属环圈的间距大致等于该第一金属环圈和该反射器的间距。
在一些实施例中，该第一金属环圈大致为一空心矩形。
在一些实施例中，该第一金属环圈的长度小于该操作频带的中心频率的0.5倍波长。
在一些实施例中，该第一金属环圈的长度介于该操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间。
在一些实施例中，该第一金属环圈的宽度介于该操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间。
在一些实施例中，该通信装置还包括：一第二金属环圈，介于该宽带天线和该反射器之间，其中该第二金属环圈和该第一金属环圈具有相同的形状和尺寸。
在一些实施例中，该第二金属环圈和该第一金属环圈的间距介于该操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间。
在一些实施例中，该通信装置还包括：一第三金属环圈，介于该宽带天线和该反射器之间，其中该第三金属环圈和该第一金属环圈具有相同的形状和尺寸。
在一些实施例中，该操作频带介于698MHz至894MHz之间。
在另一较佳实施例中，本发明提供一种通信装置，该通信装置包括：一宽带天线，该宽带天线涵盖一操作频带；一反射器，该反射器用于反射该宽带天线的辐射能量；一第一金属片，该第一金属片介于该宽带天线和该反射器之间；以及一第二金属片，该第二金属片介于该宽带天线和该反射器之间；其中该宽带天线和该反射器的间距小于该操作频带的中心频率的0.25倍波长。
在一些实施例中，该第一金属片和该第二金属片各自大致为一实心矩形。
在一些实施例中，该第一金属片和该第二金属片各自的长度小于该操作频带的中心频率的0.5倍波长。
在一些实施例中，该第一金属片和该第二金属片各自的长度介于该操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间。
在一些实施例中，该第一金属片和该第二金属片各自的宽度介于该操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间。
在一些实施例中，该第一金属片和该第二金属片的间距介于该操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间。
本发明的通信装置，相较于传统设计其至少具有下列优势：(1)金属环圈或金属片的加入可使宽带天线和反射器的间距小于其中心操作频率的0.25倍波长；(2)因为金属环圈或金属片设置于宽带天线和反射器之间，故本发明不会额外增加通信装置的整体高度；(3)因为金属环圈或金属片的长度小于宽带天线的长度，故本发明不会额外增加通信装置的整体尺寸；以及(4)金属环圈或金属片的制造成本相对低廉，故本发明享有商业化量产的实际应用价值。
附图说明
图1A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的立体图；
图1B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的侧视图；
图1C显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图；
图2A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的宽带天线的返回损失图；
图2B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的宽带天线的辐射场型图；
图3A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的立体图；
图3B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的侧视图；
图3C显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图；
图4A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的立体图；
图4B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的侧视图；
图4C显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图；
图5A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的立体图；
图5B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的侧视图；
图5C显示根据本发明一实施例所述的通信装置的俯视图；
图6A显示根据本发明一实施例所述的通信装置的宽带天线的返回损失图；
图6B显示根据本发明一实施例所述的通信装置的宽带天线的辐射场型图。
主要组件符号说明：
100、300、400、500～通信装置；
110、510～宽带天线；
120、520～反射器；
130～第一金属环圈；
330～第二金属环圈；
430～第三金属环圈；
550～第一金属片；
560～第二金属片；
D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9～间距；
FB～操作频带；
L1、L2～长度；
W1、W2～宽度；
X～X轴；
Y～Y轴；
Z～Z轴。
具体实施方式
为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出本发明的具体实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”及“包括”一词为开放式的用语，故应解释成“包含但不仅限定于”。“大致”一词则是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，达到所述基本的技术效果。此外，“耦接”一词在本说明书中包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接至一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接至该第二装置，或经由其他装置或连接手段而间接地电性连接至该第二装置。
图1A显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的立体图。图1B显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的侧视图。图1C显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的俯视图。请一并参考图1A、图1B、图1C。通信装置100可应用于一无线网络基站(Wireless Access Point)或是一移动装置(Mobile Device)当中。如图1A、图1B、图1C所示，通信装置100包括一宽带天线(Wideband Antenna)110、一反射器(Reflector)120，以及一第一金属环圈(Metal Loop)130。在一些实施例中，宽带天线110、反射器120，以及第一金属环圈130彼此没有任何互相电性连接的关系。必须理解的是，虽然未显示于图1A、图1B、图1C中，通信装置100还可包括其他组件，例如：一处理器、一射频(Radio Frequency，RF)模块、一电池模块，以及一外壳。
宽带天线110可涵盖一操作频带。宽带天线110的形状和种类在本发明中并不特别作限制。举例而言，宽带天线110可以是一钻石形(Diamond-shaped)偶极天线。在其他实施例中，宽带天线110亦可用一领结形(Bowtie-shaped)偶极天线来实施，或是用一单极天线、一循环天线，以及一补丁天线的其中一者来实施。反射器120用于反射宽带天线110的辐射能量。反射器120可为一正方形金属平面。第一金属环圈130介于宽带天线110和反射器120之间，并大致平行于反射器120。第一金属环圈130用于部分地反射、部分地通透来自宽带天线110的电磁波，从而可调整电磁波的相位及增加宽带天线110和反射器120的等效距离。在此设计下，宽带天线110和反射器120的间距D1可小于前述操作频带的中心频率的0.25倍波长(λ/4)。必须注意的是，传统反射面和天线的距离通常须为其操作频带的中心频率的0.25倍波长，而本发明的设计将可明显降低宽带天线110在反射器120上的高度。举例而言，在加入第一金属环圈130之后，宽带天线110和反射器120的间距D1可缩短至前述操作频带的中心频率的0.125倍(λ/8)波长或更小，因此本发明很适合应用于各种小型化的基站或是移动通信装置。
通信装置100的组件形状、组件尺寸可如下列所述。宽带天线110和第一金属环圈130的间距D2大致等于第一金属环圈130和反射器120的间距D3。第一金属环圈130可以大致为一空心矩形。亦即，在一大矩形金属片的中央处形成一小矩形挖空部分。第一金属环圈130的长度L1小于前述操作频带的中心频率的0.5倍波长(λ/2)。详细而言，第一金属环圈130的长度L1介于前述操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间，且较佳为0.25倍波长。第一金属环圈130的宽度W1介于前述操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间，且较佳为0.2倍波长。以上尺寸范围是根据多次实验、模拟结果而计算得出，其可优化宽带天线110和第一金属环圈130的阻抗匹配(Impedance Matching)。在一些实施例中，宽带天线110的总长度约为219.4mm。反射器120的长度约为240mm，宽度约为240mm。第一金属环圈130的长度L1约为104.3mm，宽度W1约为66.3mm。第一金属环圈130的线宽约为2mm。宽带天线110和反射器120的间距D1约为40mm。宽带天线110和第一金属环圈130的间距D2约为19.3mm。第一金属环圈130和反射器120的间距D3约为20.7mm。
图2A显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的宽带天线110的返回损失(Return Loss)图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表返回损失(dB)。根据图2A的量测结果可知，宽带天线110至少可涵盖介于698MHz至894MHz之间的一操作频带FB。在前述操作频带FB内，宽带天线110的返回损失约介于5.87dB至9.23dB之间，故其可支持LTE(LongTerm Evolution)Band 12/Band 29/Band 5的多频带操作。
图2B显示根据本发明一实施例所述的通信装置100的宽带天线110的辐射场型(Radiation Pattern)图，其是在频率点824MHz沿着图1A、图1B、图1C的XZ平面所进行的量测。根据图2B的量测结果可知，宽带天线110在+Z轴方向的最大辐射增益(Gain)约可达6.99dBi；再者，根据其他量测数据，在前述操作频带FB内，宽带天线110的最大辐射增益约介于6.06dBi至8.35dBi之间，此已可满足一般移动通信的实际应用需求。
图3A显示根据本发明一实施例所述的通信装置300的立体图。图3B显示根据本发明一实施例所述的通信装置300的侧视图。图3C显示根据本发明一实施例所述的通信装置300的俯视图。请一并参考图3A、图3B、图3C。图3A、图3B、图3C和图1A、图1B、图1C相似，两者的差异在于，通信装置300还包括一第二金属环圈330。第二金属环圈330介于宽带天线110和反射器120之间，并与第一金属环圈130完全分离，其中第二金属环圈330和第一金属环圈130可以具有相同的形状和尺寸。第二金属环圈330和第一金属环圈130可对称于宽带天线110的中心线而做配置。在一些实施例中，宽带天线110、反射器120、第一金属环圈130，以及第二金属环圈330彼此没有任何互相电性连接的关系。相似地，宽带天线110和第二金属环圈330的间距D2亦大致等于第二金属环圈330和反射器120的间距D3。第二金属环圈330和第一金属环圈130的间距D4介于宽带天线110的一操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间，以优化其与宽带天线110的阻抗匹配。在一些实施例中，第二金属环圈330和第一金属环圈130的间距D4约为45mm。根据实际量测结果，通信装置300的宽带天线110亦可涵盖介于698MHz至894MHz之间的操作频带，而在前述操作频带内，通信装置300的宽带天线110的最大辐射增益约介于6.5dBi至8.5dBi之间。因此，第二金属环圈330的加入有助于微幅提升宽带天线110的辐射性能。图3A、图3B、图3C的通信装置300的其余特征皆与图1A、图1B、图1C的通信装置100相似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。
图4A显示根据本发明一实施例所述的通信装置400的立体图。图4B显示根据本发明一实施例所述的通信装置400的侧视图。图4C显示根据本发明一实施例所述的通信装置400的俯视图。请一并参考图4A、图4B、图4C。图4A、图4B、图4C和图3A、图3B、图3C相似，两者的差异在于，通信装置400还包括一第三金属环圈430。第三金属环圈430介于宽带天线110和反射器120之间，并与第一金属环圈130和第二金属环圈330完全分离，其中第三金属环圈430、第二金属环圈330，以及第一金属环圈130可以具有相同的形状和尺寸。第三金属环圈430、第二金属环圈330，以及第一金属环圈130可对称于宽带天线110的中心线而做配置，且此三者可排列于同一条直线上或同一个平面上。在一些实施例中，宽带天线110、反射器120、第一金属环圈130、第二金属环圈330，以及第三金属环圈430彼此没有任何互相电性连接的关系。相似地，宽带天线110和第三金属环圈430的间距D2亦大致等于第三金属环圈430和反射器120的间距D3。第三金属环圈430和第二金属环圈330的间距D5介于宽带天线110的一操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间，以优化其与宽带天线110的阻抗匹配。在一些实施例中，第二金属环圈330和第一金属环圈130的间距D4约为30mm，而第三金属环圈430和第二金属环圈330的间距D5约为30mm。根据实际量测结果，通信装置400的宽带天线110亦可涵盖介于698MHz至894MHz之间的操作频带，而在前述操作频带内，通信装置400的宽带天线110的最大辐射增益约介于6.45dBi至8.42dBi之间。因此，第三金属环圈430的加入有助于微幅提升宽带天线110的辐射性能。图4A、图4B、图4C的通信装置400的其余特征皆与图3A、图3B、图3C的通信装置300相似，故此二实施例均可达成相似的操作效果。
在其他实施例中，所提的通信装置还可包括四个或更多个金属环圈，其周期性地分布于宽带天线和反射器之间，此亦有助于缩短宽带天线和反射器的间距。
图5A显示根据本发明一实施例所述的通信装置500的立体图。图5B显示根据本发明一实施例所述的通信装置500的侧视图。图5C显示根据本发明一实施例所述的通信装置500的俯视图。请一并参考图5A、图5B、图5C。通信装置500可应用于一无线网络基站或是一移动装置当中。如图5A、图5B、图5C所示，通信装置500包括一宽带天线510、一反射器520、一第一金属片(Metal Piece)550，以及一第二金属片560，其中第一金属片550和第二金属片560可以具有相同的形状和尺寸，且第一金属片550和第二金属片560可以彼此完全分离。在一些实施例中，宽带天线510、反射器520、第一金属片550，以及第二金属片560彼此没有任何互相电性连接的关系。必须理解的是，虽然未显示于图5A、图5B、图5C中，通信装置500还可包括其他组件，例如：一处理器、一射频模块、一电池模块，以及一外壳。
宽带天线510可涵盖一操作频带。宽带天线510的形状和种类在本发明中并不特别作限制。举例而言，宽带天线510可以是一钻石形偶极天线。在其他实施例中，宽带天线510亦可用一领结形偶极天线来实施，或是用一单极天线、一循环天线，以及一补丁天线的其中一者来实施。反射器520用于反射宽带天线510的辐射能量。反射器520可为一正方形金属平面。第一金属片550和第二金属片560皆介于宽带天线510和反射器520之间，并位于同一平面上且大致皆平行于反射器520。第一金属片550和第二金属片560可对称于宽带天线510的中心线而做配置。第一金属片550和第二金属片560用于部分地反射、部分地通透来自宽带天线510的电磁波，从而可调整电磁波的相位及增加宽带天线510和反射器520的等效距离。在此设计下，宽带天线510和反射器520的间距D6可小于前述操作频带的中心频率的0.25倍波长(λ/4)。举例而言，在加入第一金属片550和第二金属片560之后，宽带天线510和反射器520的间距D6可缩短至前述操作频带的中心频率的0.125倍(λ/8)波长或更小，因此本发明很适合应用于各种小型化的基站或是移动通信装置。
通信装置500的组件形状、组件尺寸可如下列所述。宽带天线510和第一金属片550或第二金属片560的间距D7小于或等于第一金属片550或第二金属片560和反射器520的间距D8。举例而言，间距D7与间距D8两者的比例可约为3：7、4：6，或可约为5：5，但亦不仅限于此。第一金属片550和第二金属片560可以各自大致为一实心矩形。除此之外，在其他实施例中，第一金属片550和第二金属片560亦可各自包括多个孔洞，或形成一栅状结构或是一格子状结构。第一金属片550和第二金属片560各自的长度L2小于前述操作频带的中心频率的0.5倍波长(λ/2)。详细而言，第一金属片550和第二金属片560各自的长度L2介于前述操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间，且较佳为0.25倍波长。第一金属片550和第二金属片560各自的宽度W2介于前述操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间，且较佳为0.2倍波长。第一金属片550和第二金属片560的间距D9介于前述操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间。以上尺寸范围根据多次实验、模拟结果而计算得出，其可优化宽带天线510、第一金属片550，以及第二金属片560的阻抗匹配。在一些实施例中，宽带天线510的总长度约为236.3mm。反射器520的长度约为240mm，宽度约为240mm。第一金属片550和第二金属片560各自的长度L2约为107.4mm，各自的宽度W2约为71.8mm。宽带天线510和反射器520的间距D6约为40mm。宽带天线510和第一金属片550或第二金属片560的间距D7约为11.4mm。第一金属片550或第二金属片560和反射器520的间距D8约为28.6mm。第一金属片550和第二金属片560的间距D9约为40.9mm。
图6A显示根据本发明一实施例所述的通信装置500的宽带天线510的返回损失图，其中横轴代表操作频率(MHz)，而纵轴代表返回损失(dB)。根据图6A的量测结果可知，宽带天线510至少可涵盖介于698MHz至894MHz之间的一操作频带FB。在前述操作频带FB内，宽带天线510的返回损失约介于6.95dB至9.93dB之间，故其可支持LTE Band 12/Band 29/Band5的多频带操作。
图6B显示根据本发明一实施例所述的通信装置500的宽带天线510的辐射场型图，其在频率点824MHz沿着图5A、图5B、图5C的XZ平面所进行的量测。根据图6B的量测结果可知，宽带天线510在+Z轴方向的最大辐射增益约可达8.32dBi；再者，根据其他量测数据，在前述操作频带FB内，宽带天线510的最大辐射增益约介于6.78dBi至8.72dBi之间，此已可满足一般移动通信的实际应用需求。
在其他实施例中，所提的通信装置还可包括三个或更多个金属片，其周期性地分布于宽带天线和反射器之间，此亦有助于缩短宽带天线和反射器的间距。
本发明提供一种通信装置，相较于传统设计其至少具有下列优势：(1)金属环圈或金属片的加入可使宽带天线和反射器的间距小于其中心操作频率的0.25倍波长；(2)因为金属环圈或金属片设置于宽带天线和反射器之间，故本发明不会额外增加通信装置的整体高度；(3)因为金属环圈或金属片的长度小于宽带天线的长度，故本发明不会额外增加通信装置的整体尺寸；以及(4)金属环圈或金属片的制造成本相对低廉，故本发明享有商业化量产的实际应用价值。
值得注意的是，以上所述的组件尺寸、组件参数、组件形状，以及频率范围皆非为本发明的限制条件。天线设计者可以根据不同需要调整这些设定值。另外，本发明的通信装置并不仅限于图1-图6B所示的状态。本发明可以仅包括图1-图6B的任何一或多个实施例的任何一或多项特征。换言之，并非所有图示的特征均须同时实施于本发明的通信装置当中。
在本说明书以及权利要求书中的序数，例如“第一”、“第二”、“第三”等等，彼此之间并没有顺序上的先后关系，其仅用于标示区分两个具有相同名字的不同组件。
本发明虽以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种通信装置，该通信装置包括：
一宽带天线，该宽带天线涵盖一操作频带；
一反射器，该反射器用于反射该宽带天线的辐射能量；
一第一金属环圈，该第一金属环圈介于该宽带天线和该反射器之间；以及
一第二金属环圈，该第二金属环圈介于该宽带天线和该反射器之间，其中该第二金属环圈和该第一金属环圈具有相同的形状和尺寸，并且该第二金属环圈与该第一金属环圈大致位于同一平面且完全分离；
其中该宽带天线和该反射器的间距小于该操作频带的中心频率的0.25倍波长；
其中该第一金属环圈的长度介于该操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间；并且
其中该第一金属环圈的宽度介于该操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间。
2.如权利要求1所述的通信装置，其中该反射器为一金属平面。
3.如权利要求1所述的通信装置，其中该宽带天线为一钻石形偶极天线。
4.如权利要求1所述的通信装置，其中该宽带天线和该反射器的该间距缩短至该操作频带的中心频率的0.125倍波长或更小。
5.如权利要求1所述的通信装置，其中该宽带天线和该第一金属环圈的间距大致等于该第一金属环圈和该反射器的间距。
6.如权利要求1所述的通信装置，其中该第一金属环圈大致为一空心矩形。
7.如权利要求1所述的通信装置，其中该第二金属环圈和该第一金属环圈的间距介于该操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间。
8.如权利要求1所述的通信装置，还包括：
一第三金属环圈，该第三金属环圈介于该宽带天线和该反射器之间，其中该第三金属环圈和该第一金属环圈具有相同的形状和尺寸，并且该第三金属环圈与该第二金属环圈和该第一金属环圈大致位于同一平面且完全分离。
9.如权利要求1所述的通信装置，其中该操作频带介于698MHz至894MHz之间。
10.一种通信装置，该通信装置包括：
一宽带天线，该宽带天线涵盖一操作频带；
一反射器，该反射器用于反射该宽带天线的辐射能量；
一第一金属片，该第一金属片介于该宽带天线和该反射器之间；以及
一第二金属片，该第二金属片介于该宽带天线和该反射器之间，并且该第二金属片与该第一金属片大致位于同一平面且完全分离；
其中该宽带天线和该反射器的间距小于该操作频带的中心频率的0.25倍波长；
其中该第一金属片和该第二金属片各自的长度介于该操作频带的中心频率的0.25倍至0.4倍波长之间；并且
其中该第一金属片和该第二金属片各自的宽度介于该操作频带的中心频率的0.025倍至0.2倍波长之间；
其中该第一金属片和该第二金属片是实心金属片。
11.如权利要求10所述的通信装置，其中该宽带天线和该反射器的该间距缩短至该操作频带的中心频率的0.125倍波长或更小。
12.如权利要求10所述的通信装置，其中该第一金属片和该第二金属片各自大致为一实心矩形。
13.如权利要求10所述的通信装置，其中该第一金属片和该第二金属片的间距介于该操作频带的中心频率的0.04倍至0.2倍波长之间。
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