CN109802644B - 一种双工器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双工器，包括：发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间，其中，所述发射端、接收端、天线端或发射端与接收端分别引出支路到接地端，LWR谐振器、无源器件串联在该支路中；本申请在滤波器和双工器的结构设计中引入LWR谐振器应用于压电滤波器、双工器的结构中来改善压电滤波器、双工器的性能，通过利用LWR谐振频点的阻抗特性、灵活的频率以及压电耦合系数调节的特点，采用不同的频率和压电耦合系数的组合，在特定的频点实现需要的阻抗变换。

Description

一种双工器

技术领域

本发明涉及半导体及微机电系统领域，特别是涉及一种双工器。

背景技术

随着无线通信系统的快速发展，对射频前段的性能需求越来越严苛。并且无线通信系统朝着多功能、多频段、多协议的方向发展，这对无限通讯设备中的射频前端提出了更高的挑战。作为射频前段非常重要的模块，滤波器双工器的性能对射频前端性能起着决定性的作用。因此对滤波器双工器性能的持续的改善有着非常迫切的需求。

在射频通信领域，薄膜体声波滤波器(Film Bulk Acoustic Wave Resonator，FBAR)以其小尺寸、高滚降、低插损的特点，越来越引起重视，市场份额持续增加。然而，构成FBAR滤波器中谐振器的频率是通过调节物理层的厚度来实现，可调节范围受限，并且调节范围过宽的情况下，谐振器性能难以保证。另外，谐振器的压电耦合系数基本取决于压电介质层的厚度和和材料参数，在同一滤波器上难以调节。频率和压电耦合系数实现范围的受限限制了滤波器的整体性能的提升。

因此，如何通过LWR谐振器调节频率和压电耦合系数，改善压电滤波器、双工器的性能是本领域技术人员目前亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双工器。

第一方面，提供一种双工器，包括：

发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间，

其中，所述发射端、接收端、天线端或发射端与接收端分别引出支路到接地端，LWR谐振器、无源器件串联在该支路中。

本发明在滤波器和双工器的设计中引入了LWR兰姆波谐振器，相比FBAR通过对金属和介质厚度来调节频率和压电耦合系数以外，还增加了金属图形的平面插指间距和金属图形的占空比等调节频率和压电耦合系数的途径，因此，频率和压电耦合系数的调节范围更宽。

采用LWR一方面在通带内增加了匹配的自由度，改善了带内插损和回波性能。另一方面，通过调节LWR的频率在带外的某个频点，通过阻抗的变化实现带外抑制和隔离度的改善。并且LWR结构和FBAR工艺兼容，在保证层叠厚度和FBAR相同的情况下，可以通过调节平面图形来实现特定的频率和压电耦合系数。

进一步地，所述发射端与接收端分别串联一LWR谐振器，两串联LWR谐振器通过连接无源器件与接地端连接，所述无源器件为T型、Pi型或L型。

再进一步的，所述发射端通过串联LWR谐振器、L型无源器件的两个无源元器件与接地端连接，所述接收端通过串联LWR谐振器、上述L型无源器件的一个无源元器件与接地端连接。

再进一步的，所述接收端通过串联LWR谐振器、L型无源器件的两个无源元器件与接地端连接，所述发射端通过串联LWR谐振器、上述L型无源器件的一个无源元器件与接地端连接。

进一步地，所述发射端与接收端分别通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

进一步地，所述发射端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

进一步地，所述接收端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

进一步地，所述天线端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

进一步地，所述发射滤波器及接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。

进一步地，所述LWR谐振器包含空腔、上下电极及压电层介质，所述上下电极通过交叉插指电极连通。

第二方面，提供另一种双工器，包括：

发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间，

其中，所述发射滤波器或接收滤波器内的任意一节点引出支路到接地端，LWR谐振器、无源器件串联在该支路中。

本发明相对现有技术的有益效果：

本申请在滤波器和双工器的结构设计中引入LWR谐振器应用于压电滤波器、双工器的结构中来改善压电滤波器、双工器的性能，通过利用LWR谐振频点的阻抗特性、灵活的频率以及压电耦合系数调节的特点，采用不同的频率和压电耦合系数的组合，在特定的频点实现需要的阻抗变换。

相比FBAR通过对金属和介质厚度来调节频率和压电耦合系数以外，还增加了金属图形的平面插指间距和金属图形的占空比等调节频率和压电耦合系数的途径，因此，频率和压电耦合系数的调节范围更宽。采用LWR一方面在通带内增加了匹配的自由度，改善了带内插损和回波性能。另一方面，通过调节LWR的频率在带外的某个频点，通过阻抗的变化实现带外抑制和隔离度的改善。并且LWR结构和FBAR工艺兼容，在保证层叠厚度和FBAR相同的情况下，可以通过调节平面图形来实现特定的频率和压电耦合系数。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本申请第一实施例的双工器的框图。

图2是本申请第一实施例的一种双工器的电路结构图。

图3是本申请第一实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。

图4是本申请第一实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。

图5是本申请第一实施例的第三变形例的双工器的电路结构图。

图6是本申请第一实施例的第四变形例的双工器的电路结构图。

图7是本申请第二实施例的双工器的框图。

图8是本申请第二实施例的双工器的一种电路结构图。

图9是本申请第四实施例的双工器的隔离度仿真结果。

图10是本申请第四实施例的双工器带外抑制的仿真结果。

图11是本申请第三实施例的双工器的框图。

图12是本申请第三实施例的一种双工器的电路结构图。

图13是本申请第三实施例的一种双工器的隔离度仿真结果。

图14是本申请第三实施例的一种双工器的带外抑制的仿真结果。

图15是本申请第四实施例的双工器的框图。

图16是本申请第三实施例的一种双工器的电路结构图。

图17是本申请LWR谐振器的平面结构图。

图18是本申请LWR谐振器电极的一种实现结构图。

图19是本申请LWR谐振器电极的一种实现结构的剖面图。

图20是本申请LWR谐振器电极的另一种实现结构图。

图21是本申请LWR谐振器电极的另一种实现结构的剖面图。

图22是本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的频率。

图23是本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的机电耦合系数。

图24是本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的频率。

图25是本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的机电耦合系数。

图26是本申请LWR谐振器仿真器件工作模式下的振动位移图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

图1示出了本申请第一实施例的双工器的框图。如图1所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端105与天线端107之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端106与所述天线端107之间，

其中，所述发射端105与接收端106分别引出支路到接地端，LWR谐振器104、无源器件103串联在该支路中。

其中，每个无源器件103可以是电容，电感或者是谐振器。无源器件103的结构可为T型、pi型及L型结构。

上述双工器通过在发射端105和接收端106之间增加LWR谐振器通路，其中靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端106的谐振频率，靠近接收端106的LWR谐振器频率设置成发射端105的谐振频率。LWR的引入产生了串联谐振，发射端的信号泄露到接收端的时候，泄露信号通过此串联谐振支路流到地上；同样的，接收端的信号泄露到发射端的时候，泄露信号通过此谐振支路流到地上。因此，收发通路之间的信号泄露和干扰被有效的抑制，从而改善了相互之间的隔离度。

图2是本申请第一实施例的一种双工器的电路结构图。如图2所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述发射端(TX)与天线端(ANT)分别串联一LWR谐振器104，两串联LWR谐振器通过连接T型无源器件103与接地端连接。

具体的，发射端与天线端分别串联一LWR谐振器与一个无源元器件(电容、电阻或电感)，并与一接地的无源元器件串联，发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。上述双工器靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端的谐振频率，靠近接收端的LWR谐振器频率设置成发射端的谐振频率。

图3是本申请第一实施例的第一变形例的双工器的电路结构图。如图3所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述发射端(TX)与接收端(RX)分别串联一LWR谐振器104，两串联LWR谐振器104通过连接Pi型无源器件103与接地端连接。

具体的，发射端与天线端分别串联一LWR谐振器并通过一无源元器件串联连接，上述无源元件两端分别连接一接地的无源元器件。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。上述双工器靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端的谐振频率，靠近接收端的LWR谐振器频率设置成发射端的谐振频率。

图4是本申请第一实施例的第二变形例的双工器的电路结构图。如图4所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述发射端(TX)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103的两个无源元器件与接地端连接，所述接收端(RX)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103的一个无源元器件与接地端连接。

具体的，发射端与天线端分别串联一LWR谐振器并通过一无源元器件串联连接，上述无源元器件近发射端连接一接地的无源元器件。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。上述双工器靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端(RX)的谐振频率，靠近接收端的LWR谐振器频率设置成发射端的谐振频率。

图5是本申请第一实施例的第三变形例的双工器的电路结构图。如图5所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述接收端(RX)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103的两个无源元器件与接地端连接，所述发射端(TX)通过串联LWR谐振器103、上述L型无源器件的一个无源元器件与接地端连接。

具体的，发射端端与天线端分别串联一LWR谐振器并通过一无源元器件串联连接，上述无源元器件近接收端连接一接地的无源元器件。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。上述双工器靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端的谐振频率，靠近接收端的LWR谐振器频率设置成发射端的谐振频率。

图6是本申请第一实施例的第四变形例的双工器的电路结构图。如图6所示，

一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述发射端(TX)与接收端(RX)分别通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103与接地端连接。

具体的，发射端端与接收端分别串联一LWR谐振器、两个无源元器件与接地端连接，发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。上述双工器靠近发射端的LWR谐振器频率设置成接收端的谐振频率，靠近接收端的LWR谐振器频率设置成发射端的谐振频率。

此双工器结构包含了三种类型的耦合，一是无源元器件之间的耦合，二个是无源元器件与发射端某条支路的耦合，三是无源元器件与接收端某条支路的耦合。三种类型的耦合的作用是调节带外抑制的传输零点位置，双工器带外会有传输零点，通过耦合的加入，可以将零点的位置调节到需要的频率，比如在某个频率需要比较高的抑制，可以将带外零点调到此频率上，此频率的抑制就会改善。

实施例2

图7示出了本申请第二实施例的双工器的框图。如图7所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端105与天线端107之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端106与所述天线端107之间，

其中，所述发射端105引出支路到接地端，LWR谐振器104、无源器件103串联在该支路中。

其中，每个无源器件103可以是电容，电感或者是谐振器。无源器件103的结构可为T型、pi型及L型结构。

图8示出了本申请第二实施例的双工器的一种电路结构图。如图8所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述发射端(TX)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103与接地端连接。

具体的，发射端端与串联一LWR谐振器、两个无源元器件与接地端连接。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。

此外，作为电路的变型，不仅可在发射端引出支路，也可以在发射滤波器中任意一个节点位置引出支路。

图9示出了本申请第四实施例的双工器的隔离度仿真结果。如图9所示，其中的LWR谐振器频率设置在接收端频段内。上图粗线是改善之后的曲线，细线是之前的结果。通过调节LWR频率，可以在其他频点隔离度的改善。

图10示出了本申请第四实施例的双工器带外抑制的仿真结果。如图10所示，其中的LWR谐振器频率设置在接收端频段内。上图粗线是改善之后的曲线，细线是之前的结果。通过调节LWR频率，可以调节在其他频点带外抑制的改善。

实施例3

图11示出了本申请第三实施例的双工器的框图。如图11所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端105与天线端107之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端106与所述天线端107之间，

其中，所述接收端106引出支路到接地端，LWR谐振器104、无源器件103串联在该支路中。

其中，每个无源器件103可以是电容，电感或者是谐振器。无源器件103的结构可为T型、pi型及L型结构。

图12示出了本申请第三实施例的一种双工器的电路结构图。如图12所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述接收端(RX)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103与接地端连接。

具体的，接收端串联一LWR谐振器、两个无源元器件与接地端连接。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。

此外，作为电路的变型，不仅可在接收端引出支路，也可以在接收滤波器中任意一个节点位置引出支路。

图13示出了本申请第三实施例的一种双工器的隔离度仿真结果。如图13所示，其中的LWR谐振器频率设置在发射端频段内。上图粗线是改善之后的曲线，细线是之前的结果。通过调节LWR频率，可以在其他频点隔离度的改善。

图14示出了本申请第三实施例的一种双工器的带外抑制的仿真结果，如图14所示，其中的LWR谐振器频率设置在发射端频段内。上图粗线是改善之后的曲线，细线是之前的结果。通过调节LWR频率，可以调节在其他频点带外抑制的改善。

实施例4

图15示出了本申请第四实施例的双工器的框图。如图15所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端105与天线端107之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端106与所述天线端107之间，

其中，所述天线端107引出支路到接地端，LWR谐振器104、无源器件103串联在该支路中。

其中，每个无源器件103可以是电容，电感或者是谐振器。无源器件103的结构可为T型、pi型及L型结构。

图16示出了本申请第四实施例的一种双工器的电路结构图。如图16所示，一种双工器，包括：

发射滤波器101，所述发射滤波器101连接在发射端(TX)与天线端(ANT)之间，以及

接收滤波器102，所述接收滤波器102连接在接收端(RX)与所述天线端(ANT)之间，

所述天线端(ANT)通过串联LWR谐振器104、L型无源器件103与接地端连接。

具体的，天线端串联一LWR谐振器、两并联的无源元器件与接地端连接。发射滤波器与接收滤波器均由四级串联谐振器和三级并联谐振器构成，所述并联谐振器分别并联连接在两个串联谐振器组以及一个接地端之间。

这里，将描述LWR谐振器。图17示出了本申请的LWR谐振器的平面结构图。如图17所示，LWR谐振器包含衬底1、空腔2、正极3、负极4及压电层介质，所述正负电极通过交叉插指电极连通，所述介质层位于正负电极的插指之间。此图只示出了一层的电极结构，实际上LWR谐振器立体结构为三明治结构。

图18示出了本申请的LWR谐振器电极的一种实现结构。图19示出了此LWR谐振器电极的剖面图。图20示出了本申请的LWR谐振器电极的一种实现结构。图21示出了此LWR谐振器电极的剖面图。

由图18-21可知，图19和图21为LWR谐振器电极两种实现形式，图19上下电极均为插指结构，图20的上电极为插指机构，下电极为整块金属结构。

图22示出了本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的频率。

图23示出了本申请LWR谐振器不同的插指间距对应的机电耦合系数。

图24示出了本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的频率。

图25示出了本申请LWR谐振器不同的压电厚度对应的机电耦合系数。

由图22-25可知，LWR作为一种谐振器，可以和现有的FBAR工艺兼容，在FBAR的滤波器中集成。并且它的频率和机电耦合系数kt2调节很灵活，克服了FBAR本身频率和机电耦合系数相对调节范围较小的问题，带内匹配更好，可以用来改善带外抑制。其中插指间距pitch的调节是增加的一个维度，因为在FBAR中只是在垂直的叠层来调节频率和kt2。另一方面，其实和FBAR类似，将谐振频率设置在偏离工作频率区域较远的位置，可以作为一个电容来使用，并且因为频率的变动范围更大，因此作为一个电容是更加理想的选择。

图26是本申请LWR谐振器仿真器件工作模式下的振动位移图。如图26可知，这种器件是一种电磁波到声波再到电磁波转化的器件，当谐振频率在输入端输入时，器件产生声波共振，图26中颜色越深表面振动越强烈，表示的是器件工作时候的情况。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双工器，其特征在于，包括：

发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间，

其中，所述发射端、接收端、天线端分别引出支路到接地端，或者发射端与接收端同时引出支路到接地端，LWR谐振器、无源器件串联在该支路中。

2.根据权利要求1所述的双工器，其特征在于，所述发射端与接收端分别串联一LWR谐振器，两串联LWR谐振器通过连接无源器件与接地端连接，所述无源器件为T型、Pi型或L型。

3.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，所述发射端通过串联LWR谐振器、L型无源器件的两个无源元器件与接地端连接，所述接收端通过串联LWR谐振器、上述L型无源器件的一个无源元器件与接地端连接。

4.根据权利要求2所述的双工器，其特征在于，所述接收端通过串联LWR谐振器、L型无源器件的两个无源元器件与接地端连接，所述发射端通过串联LWR谐振器、上述L型无源器件的一个无源元器件与接地端连接。

5.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述发射端与接收端分别通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

6.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述发射端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

7.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述接收端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

8.根据权利要求1中所述的双工器，其特征在于，所述天线端通过串联LWR谐振器、L型无源器件与接地端连接。

9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的双工器，其特征在于，所述LWR谐振器包含空腔、上下电极及压电层介质，所述上下电极通过交叉插指电极连通。

10.一种双工器，其特征在于，包括：

发射滤波器，所述发射滤波器连接在发射端与天线端之间并且包括以梯形形式连接的串联谐振器和并联谐振器；以及

接收滤波器，所述接收滤波器连接在接收端与所述天线端之间，

其中，所述发射滤波器或接收滤波器内的任意一节点引出支路到接地端，LWR谐振器、无源器件串联在该支路中。

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