CN109981075B - 一种超宽带微波数字移相器及其移相控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种超宽带微波数字移相器及其移相控制方法。该移相器具有频率侦测模块,首先对输入信号的频率进行侦测,控制模块基于该频率侦测模块的信号判断出该数字移相器的工作模式,若判断输入信号在预设的第一模式时,第一带通滤波器工作,若判断输入信号在预设的第二模式时,第二带通滤波器工作,然后经过第一带通滤波器/第二带通滤波器带滤波之后的信号经过对应的第一/第二正交功分器产生两路正交信号再经过第一/第二矢量调制模块进行移相再通过巴伦输出。其中,第一模式时,频率介于200MHz‑470MHz;第二模式时,频率介于470MHz‑800MHz。采用该控制方法的移相器实现超宽带移相的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种移相器,具体的涉及一种智能超宽带微波数字移相器及其移相控制方法。
背景技术
移相器(Phaser)是一种能够对波的相位进行调整的一种装置。现有的移相器大都采用矢量调制 (Vector-Modulation),其移相机理,对射频或微波信号的幅度和相位进行直接调制的方法,对任意输入信号完成360°范围内的移相以及一定的幅度变化量(通常为衰减)。与传统的移相器或衰减器不同,它能够同时改变输入信号的幅度和相位,并且可以通过固定衰减量或相移量来单独实现移相器或衰减器的功能,因此可以说矢量调制器是移相器与衰减器功能上的组合,
IQ矢量调制器主要由四部分构成(参见图1):一个正交功分器、两个双相调制器和合路器。输入信号首先由正交功分器平分成等幅正交的两路信号(I和Q),两路信号分别由双相幅度调制器调节,以此产生幅度不同的两路正交信号,最后经由同相合路器合成后输出。根据双相幅度调制器的幅度和相位调节,理论上I-Q矢量调制器可以得到360°任意相位且衰减量可变的输出信号。I-Q矢量调制器最主要的部分是具有调制功能的双相幅度调制器,它的性能直接关系到整个矢量调制器的性能。理想情况下,设计相移量与实际相移量之间成严格的线性关系,同时信号增益随相位变化保持恒定。实际上这种线性关系发生了畸变,信号增益也会随相位变化而发生波动。基于矢量调制技术的移相器的移相精度和增益稳定性主要由正交功分器、矢量调制器和合成器的器件特性决定。矢量调制的主要误差包括:正交功分器的相位正交性和幅度的平衡性,矢量调制器的频响特性和非线性调制特性,以及合成器的相位和幅度的平衡性。而其中正交功分器的相位正交性是影响矢量调制器的移相精度和增益波动的关键因素,并且随着频率和带宽的增加,相位正交性的设计难度也会进一步加大。由于正交功分器的带宽限制,很难应用于超宽带微波数字移相器。
发明内容
基于上述问题,本发明的目的在于,提出一种超宽带智能微波数字移相器,该移相器可在0°-360°范围内移相相位,这样解决了移相器在UHF频段时超宽带的问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种超宽带微波数字移相器,其特征在于,包含射频信号输入端、第一射频开关、第一矢量调整电路、第二矢量调整电路、第二射频开关、射频信号输出端、控制模块、移相控制模块、频率侦测模块,
射频信号输入端电性连接第一射频开关及频率侦测模块,
第一矢量调整电路及第二矢量调整电路分别电性连接第一射频开关,用以接收输入信号并基于移相控制模块的指令进行信号调制,调制后的信号经其输出端传输至第二射频开关,射频信号输出端电性连接第二射频开关,用以将接收的调制后的信号发出,
其中,所述移相器工作时,频率侦测模块接收并侦测输入信号的频率且将检测信息反馈至控制模块, 所述控制模块基于接收的信息判断移相器的工作模式,若判断工作于第一模式时,输入信号经第一矢量调整电路进行信号矢量调制,调制后的信号经第二射频开关及射频信号输出端输出;若判断工作于第二模式时,输入信号经第二矢量调整电路进行信号矢量调制,调制后的信号经第二射频开关及射频信号输出端输出。
优选的,该第一矢量调整电路包含依次电性连接的第一带通滤波器、第一带通滤波器、第一功分器、第一移相模块,其中,第一移相模块连接移相控制模块,经第一功分器产生两路正交信号, 所述第一移相模块接收所述两路正交信号并基于移相控制模块的指令进行移相调制并将调制后的信号输出至第二射频开关经过射频信号输出端输出。
优选的,该第二矢量调整电路包含依次电性连接的第二带通滤波器、第二带通滤波器、第二功分器、第二移相模块,其中,第二移相模块连接移相控制模块,经第二功分器产生两路正交信号, 所述第二移相模块接收所述两路正交信号并基于移相控制模块的指令进行移相调制并将调制后的信号输出至第二射频开关经过射频信号输出端输出。
优选的,该移相器的输入信号的频率介于200MHz-470MHz时,移相器工作于第一模式;所述输入信号的频率大于470MHz且小于等于800MHz时,移相器工作于第二模式。
优选的,该第一射频开关包含单刀双掷射频开关,单刀双掷射频开关包含第一输出端,其电性连接第一矢量调整电路,第二输出端,其电性连接第二矢量调整电路,控制端,其电性连接控制模块并基于控制模块的指令使得输入信号流向第一矢量调整电路或第二矢量调整电路。
优选的,该移相器还包含供电单元,用以提供移相器的驱动电能。
优选的,该第一矢量调整电路或所述第二矢量调整电路的输出端配置巴伦变压器,用以将第一矢量调整电路或所述第二矢量调整电路的两路差分输出转变成单路输出。
本发明实施例还提供一种超宽带微波数字移相器的移相控制方法,其包含上述的移相器,所述方法包含,
S1,移相器接收输入信号,
S2,频率侦测单元接收并侦测所述输入信号的频率,将侦测的信号反馈至控制模块,控制模块基于接收的信号判断所述移相器的工作模式,
S3,若判断工作于第一模式,则输入信号经由第一信号处理模块调制,若判断工作于第二模式,则输入信号经由第二信号处理模块调制,
S4,调制后的信号经过射频开关输出。
优选的,该方法中输入信号的频率介于200MHz-470MHz时,移相器工作于第一模式;
输入信号的频率大于470MHz且小于等于800MHz时,移相器工作于第二模式。
优选的,该频率侦测单元包含调谐器电路,用以侦测输入信号的频率。
相对于现有技术中的方案,本发明的优点:
本发明提出的超宽带的智能微波数字移相器,其可在0°-360°范围内移相,同时解决移相器在UHF频段时超宽带的问题。该移相器使用了调谐器侦测信号频率,在具体频率下的具体移相值进行调整幅度调制器,从而减小移相误差。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1所示为现有的IQ矢量调制器功能结构示意图;
图2所示为本发明实施例的数字移相器的功能结构示意图;
图2a为图2中第一射频开关101的拓扑示意图;
图2b为图2中第一支路的矢量调整电路拓扑示意图;
图2c为图2中第二射频开关105的拓扑示意图;
图3a所示为本发明实施例的第一射频开关101与第一带通滤波器102a电路ADS软件仿真结果图;
图3b所示为本发明实施例的第一射频开关101与第二带通滤波器102b电路ADS软件仿真结果图;
图4a所示为本发明实施例的第一射频开关101与第一带通滤波器102a和第一功分器103a电路ADS软件仿真结果图;
图4b所示为本发明实施例的第一射频开关101与第二带通滤波器102b和第二功分器103b电路ADS软件仿真结果图;
图5所示为本发明实施例的控制模块107功能结构示意图;
图6a所示为本发明实施例的移相电路在频带0.2GHz~2GHz内的移相通道幅度曲线,图6b为单通道相位偏差图;
图7所示为本发明实施例的移相电路在频带0.2GHz~2GHz内90°移相的归一化移相曲线;
图8所示为本发明实施例数字移相器的移相方法流程示意图。
实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解,这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整,未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
移相控制电路通过外部控制矢量调制电路,实现信号在360°内的移相。为说明矢量调制电路的移相原理,假设输入信号为:
fin=sinωt
输入信号被调制成两路等功率垂直信号,分别表示为:
对两路信号进行幅度调制,幅度分别变为原来的A、B倍,那么两路信号变为:
将两路信号矢量相加,输出信号为:
其中
因此,通过控制A和B的值,就可以得到所需的移相值φ。在一系列的计算里面,I和Q两路等功率垂直信号的幅度调制以及矢量相加通过外部移相控制电路控制,由矢量调制电路实现。其中,A和B的值由控制模块(如,单片机控制的DAC芯片)确定。
为了克服正交功分器宽带的限制,本实施方式中提出的移相器,其具有频率侦测模块,首先对输入信号的频率进行侦测,控制模块基于该频率侦测模块的信号识别出输入信号的频率,若输入信号在预设的第一模式时,第一带通滤波器工作,若输入信号在预设的第二模式时,第二带通滤波器工作,然后经过第一带通滤波器/第二带通滤波器带滤波之后的信号经过对应的正交功分器产生两路正交信号再经过矢量调制模块(矢量移相器芯片)进行移相再通过巴伦输出,其中控制模块与矢量调制模块间通过SPI总线协议进行通信,控制矢量调制模块输出电压改变I和Q信号的幅度,最后再通过控制模块控制射频开关输出移相之后的信号,实现超宽带移相的目的。其中,第一模式时,频率介于200MHz-470MHz;第一模式时,频率介于470MHz -800MHz。通过选择开关,较佳的如 单刀双掷射频开关,将信号通过第一支路或第二支路并经过相应的带通滤波器。若检出的频率为470MHz时,设置信号通过第一支路并经过相应的带通滤波器。
如图2所示,为本发明实施例的一种超宽带智能微波数字移相器的功能结构示意图,一种智能超宽带微波数字移相器100,其包含射频信号输入端RFin,第一射频开关101、第一带通滤波器102a、第二带通滤波器102b、第一功分器103a、第二功分器103b、第一功分器103a、第一移相器104a、第二功分器104b、第二射频开关105、射频信号输出端RFout、移相控制模块108、控制模块107、供电单元109、调谐器106;
移相器工作时,接收输入信号,基于调谐器106对输入信号的频率进行侦测,并将检测信息反馈至控制模块107,控制模块107接收该信息识别出输入信号的频率并基于预设的阈值判断出工作模式发出工作模式指令,第一射频开关101接收并相应该指令控制开关动作,若判断工作于第一模式时,输入信流向第一支路,即输入信号流向第一带通滤波器102a、经过第一带通滤波器102a滤波后流向第一功分器103a,经第一功分器103a产生两路正交信号(I1,Q1),经过移相控制模块108(也称为矢量调制移相器芯片)进行移相再通过巴伦输出,经第二射频开关105经过射频信号输出端RFout输出。
若判断工作于第二模式时,输入信流向第二支路,即输入信流向第二带通滤波器102b、经过第二带通滤波器102b滤波后流向第二功分器103b,经第二功分器103b产生两路正交信号(I2,Q2),经过移相控制模块108(也称为矢量调制移相器芯片)进行移相再通过巴伦输出,经第二射频开关105经过射频信号输出端RFout输出。
如图2a所示为本申请实施方式的第一射频开关101的拓扑示意图,
该第一射频开关101芯片包含RFcom端用以连接RFin端202,信号端203/204分别电性连接控制模块(图未示),基于控制模块的指令关闭开关,这样信号从第一支路205或第二支路206端流出。
如图2b所示为本申请实施方式的第一矢量调整电路的拓扑示意图,第一矢量调整电路1000,包含移相控制芯片1001、其一端口电性连接电感1004a的一端,电感1004a的另一端电性连接电容1003a的一端,电容1003a的另一端电性连接电阻1002a的一端及第一功分器103a的I1路的输出,电阻1002a的另一端电性接地,其一端口电性连接电感1004b的一端,电感1004b的另一端电性连接电容1003b的一端,电容1003b的另一端电性连接电阻1002b的一端及第一功分器103a的Q1路的输出,电阻1002b的另一端电性接地,其一端口电性连接电容1006的一端及电感1005a的一端,电容1006的另一端电性连接变压器1008的a端,电感1005a的另一端电性电感1005b的另一端,其一端口电性连接电容1007的一端及电感1005b的一端,电容1007的另一端电性连接变压器1008的c端,变压器1008的b端电性接地,d端电性连接输出端;电感1005b的另一端电性连接电容1014的一端,电容1014的另一端电性接地。其一端口分别经电容1009,电容1010电性接地。其一端口分别经电容1011电性接地及经电阻1012电性连接VCC端,其一端口分别经电容1013电性连接电容1014一端,电容1014的另一端电性接地。
第二矢量调整电路与第一矢量调整电路的拓扑相同,不在重复描述。
如图2c所示为该第二射频开关105的示意图,该第二射频开关105芯片包含RFcom端用以连接RFout端305,信号端301/302分别电性连接控制模块(图未示),基于控制模块的指令关闭开关,这样信号从第一支路303或第二支路304端出入经305流出。
本实施方式中,控制模块107可采用STM32单片机,移相控制模块108选用ADL5390芯片。第一移相器104a、第二功分器104b选用ADL5390芯片。STM32单片机与移相控制模块之间通过SPI总线协议进行通信,控制DAC芯片输出电压改变I和Q信号的幅度,最后再通过STM32单片机控制第二射频开关105输出移相之后的信号。
第一射频开关101包含选择开关,较佳的如单刀双掷射频开关,其电性连接控制模块107并基于指令连接。调谐器106检测的频率介于200MHz-470MHz时,移相器工作于第一模式,检测的频率介于470MHz-800MHz时,移相器工作于第二模式。
本申请实施方式的器件模块选型如表1描述,
表1 芯片带宽指标
由第一正交功分器和第二正交功分器的带宽我们可以看出,它们是有重叠区域的,就是450MHz-470MHz,选择重叠区域任意的频率点都行,但是由第一带通滤波器和第二带通滤波器的带宽我们可以看出重叠区域是470MHz-480MHz,所以选择470MHz这个频率是最为合适的,不会对200MHz-800MHz频段任意频率的信号造成影响。检测出频率在200MHz-470MHz的微波信号则通过第一带通滤波器和第一正交功分器这条支路移相,检测出频率在470MHz -800MHz的微波信号则通过第二带通滤波器和第二正交功分器这条支路移相,这样实现对输入信号进行分段移相的目的。
如图3a所示为本发明实施方式的第一射频开关101与第一带通滤波器102a电路ADS软件仿真结果图;图3b为本发明实施方式的第一射频开关101与第二带通滤波器102b电路ADS软件仿真结果图。从图中我们可以看出,两路信号在各自频段内S11低于-10dB,两路信号-10dB阻抗带宽相加为200M-800MHz,实现四个倍频程。通过这样的设计将输入信号分成两个频段从而可以解决正交功分器带宽不足的问题,实现移相器超宽带的设计。
如图4a所示为本发明实施方式的第一射频开关101与第一带通滤波器102a和第一功分器103a电路ADS软件仿真结果图;图4b为本发明实施方式的第一射频开关101与第二带通滤波器102b和第二功分器103b电路ADS软件仿真结果图。其分别为第一支路/第二支路(射频开关+带通滤波器+正交功分器)产生两路正交信号(I1、Q1或I2、Q2)的ADS仿真图,由仿真图我们可以看出两路正交信号(I1、Q1或I2、Q2)之间的相位差都是在90°上下,误差在可以接受的范围内。
如图5所示,为本申请实施方式移相器的矢量调制电路逻辑框图,
矢量调制电路通过对输入的两路等功率垂直信号的幅度进行调制,再进行矢量求和得到移相信号。调制电路通过输入电压的大小控制信号幅度调制的程度,具体是由QBBP、QBBM(Q通道控制电压输入)及IBBP、IBBM(I通道控制电压输入)这四个引脚上的电压决定。这四个引脚上电压的驱动方式可以双端驱动,也可以单端驱动。双端驱动时,每一个通道的两个引脚都接可变电压值(250mV-750mV);单端驱动时,其中一个引脚接+0.5V,另一个接可变电压值。
接下来描述该电路的设计,输出端输出的增益以及移相量可以由下式计算:
其中,是基带标量常数,285mV。VIBB和VQBB分别代表I和Q差分通道的电压值,VIBB=VIBBP-VIBBM,VQBB=VQBBP-VQBBM。在本方案中,矢量调制电路只需要实现移相的功能,而不需要改变信号的增益,因此Gain=1。在单端驱动模式下,固定VIBBP=VQBBP=+0.5V,上式可以化简为:
因此,参考相位对应的电压情况如下:
(1)当移相量为0°时,VQBB=0,VIBB=V0,即VQBBM=500mV,VIBBM=215mV,此时归一化增益为1;
(2)当移相量为2.8°时,VQBB=14mV,VIBB=284mV,即VQBBM=486mV,VIBBM=215mV,此时归一化增益为1;
(3)当移相量为5.6°时,VQBB=28mV,VIBB=283mV,即VQBBM=472mV,VIBBM=216mV,此时归一化增益为1;
(4)当移相量为11.25°时,VQBB=55mV,VIBB=280mV,即VQBBM=444mV,VIBBM=220mV,此时归一化增益为1;
(5)当移相量为22.5°时,VQBB=109mV,VIBB=263mV,即VQBBM=390mV,VIBBM=236mV,此时归一化增益为1;
(6)当移相量为45°时,VQBB=201mV,VIBB=201mV,即VQBBM=298mV,VIBBM=298mV,此时归一化增益为1;
(7)当移相量为90°时,VQBB=V0,VIBB=0,即VQBBM=215mV,VIBBM=500mV,此时归一化增益为1;
(8)当移相量为180°时,VQBB=0,VIBB=-V0,即VQBBM=500mV,VIBBM=785mV,此时归一化增益为1。
当输入电压VQBB与VIBB进行移相时,VQBB与VIBB满足由此计算得到归一化增益为:
说明幅度在进行相位调制时不会发生改变。下面结合图6a和6b来描述本申请实施方式的矢量调整电路性能,
图6a是移相通道幅度曲线,图6b是单通道相位偏差图。由图6a可以看出设定的增益在不同频率下的变化;由图6b可以看出不同频率在移相误差的大小。
如图7所示为的为本申请实施方式的移相电路在频带0.2GHz~2GHz内90°移相的归一化移相曲线。由曲线可以看出,在90°移相的误差还是很小的,说明这款芯片性能是满足设计要求的。
上述实施方式的移相器,具有频率侦测模块,首先对输入信号的频率进行侦测,控制模块基于该频率侦测模块的信号判断出该数字移相器的工作模式,若判断输入信号在预设的第一模式时,第一带通滤波器工作,若判断输入信号在预设的第二模式时,第二带通滤波器工作,然后经过第一带通滤波器/第二带通滤波器带滤波之后的信号经过对应的第一/第二正交功分器产生两路正交信号再经过第一/第二矢量调制模块进行移相再通过巴伦输出。其中,第一模式时,频率介于200MHz-470MHz;第二模式时,频率介于470MHz-800MHz。优选的,该块频率侦测模块为调谐器,本实施方式中,调谐器采用TDA18212HN/M。
上述实施方式的移相器设计,使用Altium Designer软件画出电路原理图、制作PCB版图,使用印刷电路板工艺进行加工制作,板材选用FR4,介电常数为4.4,损耗角正切为0.02,厚度为1.6mm。本发明提出的移相器在满足移相误差的前提下,提出一种将信号分段组合矢量正交调制技术,解决移相器在UHF频段超宽带的问题。
上述实施方式的移相器设计,第一射频开关包含输入端、其电性连接射频信号,第一输出端,其电性连接第一矢量调整电路、第二输出端,其电性连接第二矢量调整电路。第二射频开关包含第一输入端,其电性连接第一矢量调整电路,第二输入端,其电性连接第二矢量调整电路,输出端其电性连接第一矢量调整电路射频信号输出端。
本申请还提供上述移相器的移相控制方法(如图8所示),该方法包含,
S1,移相器接收输入信号,
S2,频率侦测单元基于接收的输入信号并判断所述移相器的工作模式,
S3,若判断工作于第一模式,则输入信号经由第一信号处理模块调制,若判断工作于第二模式,则输入信号经由第二信号处理模块调制,
S4,处理后的信号经过射频开关将其输出。
上述实施方法中,输入信号的频率介于200MHz-470MHz时,移相器工作于第一模式;输入信号的频率介于470MHz-800MHz时,移相器工作于第二模式。第一信号处理模块/第二信号处理模块分别设有带通滤波器,其详细配置参见图2实施方式的描述。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超宽带微波数字移相器,其特征在于,包含射频信号输入端、第一射频开关、第一矢量调整电路、第二矢量调整电路、第二射频开关、射频信号输出端、控制模块、移相控制模块、频率侦测模块,
射频信号输入端电性连接第一射频开关及频率侦测模块,
第一矢量调整电路及第二矢量调整电路分别电性连接第一射频开关,
所述第一矢量调整电路包含依次电性连接的第一带通滤波器、第一功分器、第一移相模块,其中,第一移相模块连接移相控制模块,经第一功分器产生两路正交信号, 所述第一移相模块接收所述两路正交信号并基于移相控制模块的指令进行移相调制并将调制后的信号输出至第二射频开关,
所述第二矢量调整电路包含依次电性连接的第二带通滤波器、第二功分器、第二移相模块,其中,第二移相模块连接移相控制模块,经第二功分器产生两路正交信号, 所述第二移相模块接收所述两路正交信号并基于移相控制模块的指令进行移相调制并将调制后的信号输出至第二射频开关,
射频信号输出端电性连接第二射频开关,用以将接收的调制后的信号发出,
其中,所述超宽带微波数字移相器工作时,接收输入信号,频率侦测模块接收并侦测输入信号的频率且将检测信息反馈至控制模块, 所述控制模块基于接收的信息判断移相器的工作模式,若判断工作于第一模式时,输入信号经第一矢量调整电路进行信号矢量调制,调制后的信号经第二射频开关及射频信号输出端输出;若判断工作于第二模式时,输入信号经第二矢量调整电路进行信号矢量调制,调制后的信号经第二射频开关及射频信号输出端输出。
2.如权利要求1所述的超宽带微波数字移相器,其特征在于,
所述输入信号的频率介于200MHz-470MHz时,超宽带微波数字移相器工作于第一模式;
所述输入信号的频率大于470MHz且小于等于800MHz时,超宽带微波数字移相器工作于第二模式。
3.如权利要求1所述的超宽带微波数字移相器,其特征在于,所述第一射频开关包含单刀双掷射频开关,单刀双掷射频开关包含第一输出端,其电性连接第一矢量调整电路,第二输出端,其电性连接第二矢量调整电路,控制端,其电性连接控制模块并基于控制模块的指令使得输入信号流向第一矢量调整电路或第二矢量调整电路。
4.如权利要求1所述的超宽带微波数字移相器,其特征在于,还包含供电单元,用以提供超宽带微波数字移相器的驱动电能。
5.如权利要求1所述的超宽带微波数字移相器,其特征在于,所述第一矢量调整电路或所述第二矢量调整电路的输出端配置巴伦变压器,用以将第一矢量调整电路或所述第二矢量调整电路的两路差分输出转变成单路输出。
6.一种超宽带微波数字移相器的移相控制方法,其特征在于,包含如权利要求1-5中任一项所述的超宽带微波数字移相器,所述方法包含,
S1,移相器接收输入信号,
S2,频率侦测单元接收并侦测所述输入信号的频率,将侦测的信号反馈至控制模块,控制模块基于接收的信号判断所述移相器的工作模式,
S3,若判断工作于第一模式,则输入信号经由第一信号处理模块调制,若判断工作于第二模式,则输入信号经由第二信号处理模块调制,
S4,调制后的信号经过射频开关输出。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,
输入信号的频率介于200MHz-470MHz时,移相器工作于第一模式;
输入信号的频率大于470MHz且小于等于800MHz时,移相器工作于第二模式。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述频率侦测单元包含调谐器电路,用以侦测输入信号的频率。
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