CN112074991A - 基片集成波导天线 - Google Patents

Abstract

公开了一种SIW天线(10)。SIW天线包括：SIW结构(20)，该SIW结构(20)沿着水平面延伸，以将电磁波从第一馈源(26)沿着纵向方向引导到辐射孔径(27)；以及平行板谐振器(30)，该平行板谐振器(30)被布置在辐射孔径(27)处，该平行板谐振器(30)包括在与水平面平行的第一平面中延伸的第一扁平部分(31)以及在与水平面平行的第二平面中延伸的第二扁平部分(32)，其中第一平面和第二平面彼此分离开。第一扁平部分(31)包括连接到第二馈源(36)的附加天线结构(33)。第二扁平部分(32)包括在纵向方向上延伸的多个扁平突片(34)。SIW结构(20)被配置为辐射在第一方向上极化的电磁波。附加天线结构(33)被配置为辐射在第二方向上极化的电磁波。第二方向与第一方向正交。还公开了包括多个SIW天线(10)的天线阵列(200)以及包括这种天线阵列的电子设备。

Description

基片集成波导天线

技术领域

本发明涉及基片集成波导天线。本发明还涉及包括多个基片集成波导天线的阵列天线。

背景技术

在当今移动行业中，由于潜在的可用带宽，人们对诸如毫米波段(10GHz至约100GHz)的更高频段进行了深入研究。为了在毫米波段中获得良好的性能，最可能需要包括在阵列天线中布置的多个天线的阵列天线。这既是为了实现天线分集，又是为了获得可以发射具有双极化的电磁波的天线。可以实现天线分集，因为多个天线为接收器提供了对同一信号的若干观测结果。此外，双极化天线可以用于复用，其中可以通过使用两个正交极化状态的波在同一载波频率上发送两个信道的信息。

如今，通过将阵列天线的第一子组天线布置成发射具有第一极化方向的波，并且将阵列天线的第二子组天线布置成发射具有与第一极化方向正交的极化方向的波，来实现阵列天线中的双极化。这在图1中示出。图1的现有技术天线阵列1包括两种类型的天线2a、2b。第一种类型的天线2a(属于第一子组天线)被配置为发射具有第一极化方向的波，而第二种类型的天线2b(属于第二子组天线)被配置为发射具有与第一极化方向正交的极化方向的波。该现有技术的阵列天线允许天线分集和复用二者。然而，这样的阵列天线在使用它的电子设备中留下相对较大的覆盖区(footprint)。

因此，需要一种可以在阵列天线中使用的具有双极化能力的替代天线。优选地，这样的天线被设计为使得与图1的现有技术的阵列天线相比，减小了天线的覆盖区。

在开发新天线时，进一步的设计考虑因素可能是极化方向的区别、阵列天线中不同天线之间的低耦合以及来自天线的接地电流的限制。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种可以在阵列天线中使用的天线。所提供的天线还可以被配置为具有双极化。

根据第一方面，提供了一种基片集成波导SIW天线。所述SIW天线包括：

SIW结构，其沿着水平面延伸，以将电磁波从第一馈源(feed)沿着纵向方向引导到辐射孔径，以及

平行板谐振器，其被布置在所述辐射孔径处，所述平行板谐振器包括第一扁平部分和第二扁平部分，所述第一扁平部分在平行于所述水平面的第一平面中延伸，所述第二扁平部分在平行于所述水平面的第二平面中延伸，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此分离开；

其中，所述第一扁平部分包括连接到第二馈源的附加天线结构，

其中，所述第二扁平部分包括在所述纵向方向上延伸的多个扁平突片，

其中，所述SIW结构被配置为辐射在第一方向上极化的电磁波，并且其中，所述附加天线结构被配置为辐射在第二方向上极化的电磁波，其中，所述第二方向与所述第一方向正交。

SIW天线由于其紧凑的结构而是一种很好的电子设备天线类型。SIW天线可以形成印刷电路板的一部分，因此易于制造。典型的SIW天线被配置为辐射在第一方向上极化的电磁波。另外，本发明的SIW天线被配置为辐射在与第一方向正交的第二方向上极化的电磁波。后者归因于平行板谐振器的特定设计。第一方向相对于SIW结构的水平面垂直，SIW结构是平行板谐振器。在下面的描述中，第一方向将被称为垂直方向。因此，SIW结构被称为辐射垂直极化的电磁波。在下面的描述中，第二方向将被称为水平方向。因此，附加天线结构被称为辐射水平极化的电磁波。因此，SIW结构和附加天线结构可以分别辐射垂直极化的电磁波和水平极化的电磁波。本发明的SIW天线提出了一种设计，其允许通过同一天线发射垂直极化的电磁波和水平极化的电磁波。这允许较小的天线，其中使用该天线的设备中的天线覆盖区减小了。因此，可以提供紧凑的双极化天线。SIW天线可以进一步被设计为使得辐射电磁波的频率在10GHz至100GHz的范围内。因此，可以提供被配置为辐射具有毫米范围内的波长的电磁波的双极化天线。这样的天线对于毫米波通信系统可能是有用的。毫米波通信系统可以例如是5G无线通信系统。本设计可以进一步允许具有低交叉极化水平的非常纯的极化。根据模拟，至少比共极化低20dB。

第一扁平部分和第二扁平部分可以相对于彼此不对称。不对称的第一扁平部分和第二扁平部分允许将SIW天线设计成使得SIW结构和附加天线结构都朝同一方向辐射。

第一馈源可以与第二馈源分离开。这可以允许SIW天线内的可单独控制的天线结构。因此，可以控制垂直极化电磁辐射与水平极化电磁辐射的量。

多个扁平突片可以是曲线的。

多个扁平突片可以是三角形的。

多个扁平突片可以是矩形的。

多个扁平突片可以是截头三角形(frusto-triangular)的。

多个扁平突片中的一个或更多个可以具有上述形状中的一种，并且多个扁平突片中的另一个或更多个可以具有上述形状中的另一种。因此，并非多个突片中的所有突片都需要具有相同的形状。

多个扁平突片可以彼此电分离。另选地，多个扁平突片可以彼此电连接。进一步另选地，多个扁平突片中的一个或更多个可以与多个扁平突片中的另一些电分离，并且同时多个扁平突片的子组可以彼此电连接。通过将扁平突片彼此电分离，它们对附加天线结构的辐射方向图(radiation pattern)的影响将减小。通过将多个扁平突片电连接，可以增强它们作为增加垂直极化SIW结构的带宽的匹配结构的效果。

如上所述，SIW结构和附加天线结构可以被配置为朝向共同方向辐射电磁波。该共同方向可以是沿着纵向方向远离辐射孔径。

附加天线结构可以包括用于扁平单极天线的扁平贴片。

附加天线结构可以包括彼此电绝缘的至少两个扁平贴片。至少两个扁平贴片可以形成扁平偶极天线(flat diploe antenna)。

至少两个扁平贴片中的第一扁平贴片可以接地。

至少两个扁平贴片中的第二扁平贴片可以连接到第二馈源。

如上所述，SIW结构可以被配置为辐射垂直极化的电磁波。附加天线结构可以被配置为辐射水平极化的电磁波。

附加天线结构可以相对于SIW结构的纵向方向横向地定向。

SIW结构可以包括上层和下层，其中上层与下层之间的距离在1.0mm至3.0mm的范围内。具有该范围内的距离是优选的，因为这样SIW结构可以在适合于诸如5G无线通信系统的毫米波通信系统的毫米波段中产生电磁辐射。此外，该距离范围是优选的，因为它对应于可以集成SIW天线的电路板的厚度。

多个扁平突片的数量可以在3至10的范围内。

根据第二方面，提供了一种天线阵列。该天线阵列包括多个根据第一方面的SIW天线。

由于每个SIW天线都配置为辐射垂直极化的电磁辐射和水平极化的电磁辐射二者，所以本设计可以提供紧凑的结构。因此，与例如图1所示的阵列天线相比，本设计可以允许减少天线阵列的覆盖区。

本设计可以进一步给予天线阵列放置位置的自由度。天线阵列可以形成电路板的一部分。天线阵列可以放置在电路板的边缘处。因此，本发明的天线可以容易地集成在例如移动设备中。本发明的天线可以例如形成移动设备的电路设计的一部分。

在适用时，SIW天线的上述特征也适用于此第二方面。为了避免不必要的重复，请参照以上内容。

根据第三方面，提供了一种电子设备。该电子设备被配置为在毫米波通信系统内进行通信。毫米波通信系统例如可以是5G无线通信系统。该电子设备包括根据第二方面的天线阵列。

在适用时，SIW天线的上述特征也适用于此第三方面。为了避免不必要的重复，请参照以上内容。

根据下面给出的详细描述，本发明的进一步适用范围将变得明显。然而，应该理解，详细描述和具体示例在指示本发明的优选实施方式时，仅是通过例示的方式给出，这是因为根据该详细描述，本发明范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

因此，应当理解，本发明不限于所描述的设备的特定组成部分，或所描述的方法的步骤，因为这种设备和方法可以改变。还应理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而无意于进行限制。必须注意的是，如说明书和所附权利要求书中所使用的，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或更多个要素，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一个单元”或“该单元”的引用可以包括若干设备等。此外，词语“包括”、“包含”、“含有”和类似措词不排除其他要素或步骤。

附图说明

现在将参照示出本发明的实施方式的附图来更详细地描述本发明的上述和其他方面。这些附图不应被认为将本发明限制于特定的实施方式；相反，它们用于解释和理解本发明。

如图所示，为了例示的目的，可能会夸大层和区域的尺寸，因此，提供这些层和区域的尺寸是为了例示本发明实施方式的总体结构。贯穿全文，相同的附图标记表示相同的要素。

图1例示了具有交替天线的现有技术天线阵列，所述交替天线被配置为分别发射垂直极化的电磁辐射和水平极化的电磁辐射。

图2例示了基片集成波导天线。

图3例示了包括多个基片集成波导天线的天线阵列。

图4例示了包括如图3所示的天线阵列的电子设备。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施方式；而且，提供这些实施方式是为了透彻和完整，并将本发明的范围完全传达给技术人员。

图2例示了根据本发明的基片集成波导SIW天线10。在文献中，SIW天线也可以称为后壁波导或叠层波导。根据本发明的SIW天线10包括SIW结构20和平行板谐振器30。

SIW结构20是用于电磁波的矩形引导件21。引导件21被形成在基片22内。基片22由介电材料制成。基片22可以形成电路板的一部分。基片22的厚度可以是被引导通过SIW结构20的电磁波的波长的几分之一。根据非限制性示例，基片22的厚度可以是被引导通过SIW结构20的电磁波的波长的1/8。对于使用毫米波通信系统(即，10GHz至100GHz)的系统内的实现，可以使用1.0mm至3.0mm的基片厚度。

引导件21由上层23、下层24和两排柱25限定。上层23和下层24由基片22支撑。上层23和下层24由导电材料制成。导电材料通常是金属。上层23和下层24构成SIW结构20的相反的主表面。上层23和下层24可以彼此平行。柱25可以形成为穿过基片22的通孔。两排柱25中的相应一排柱形成通孔栅栏26a、26b。两个通孔栅栏26a、26b构成SIW结构20的侧壁。柱25包括导电材料并且连接上层23和下层24。因此，上层23和下层24与两排柱25一起形成电磁波的引导件21。引导件21沿着SIW结构20的水平面延伸。引导件21被配置为沿着SIW结构20的纵向方向将电磁波从第一馈源26引导到辐射孔径27。对于电磁波而言，引导件21看起来像始于第一馈源26并终止于辐射孔径27的电介质填充的矩形波导。SIW结构20被配置为在第一馈源26处被馈电时辐射垂直极化的电磁波。

平行板谐振器30被布置在SIW结构20的辐射孔径27处。平行板谐振器30被配置为用作SIW结构20的过渡区域，以便减少在辐射孔径27处的反射。由此，实现了SIW结构20的改善的匹配。平行板谐振器30包括两个平行板。第一平行板包括第一扁平部分31。第二平行板包括第二扁平部分32。第一扁平部分31和第二扁平部分32包括导电材料。导电材料通常是金属。平行板具有相对于纵向方向或SIW结构20横向地定向的主延伸。根据非限制性示例，每个平行板可在相对于SIW结构20的纵向方向为横向的方向上具有约为SIW结构20的尺寸被设定为发射的波长的一半的延伸。此外，根据非限制性示例，每个平行板可在SIW结构20的纵向方向上具有约为SIW结构20的尺寸被设定为发射的波长的四分之一的延伸。然而，尺寸可能会根据SIW天线10的实现而有所不同。平行板谐振器30可以减少辐射孔径27处的反射。此外，平行板谐振器30可以增加SIW结构20的带宽。

第一扁平部分31在平行于SIW结构20的水平面的第一平面中延伸。第二扁平部分32在平行于SIW结构20的水平面的第二平面中延伸。第一平面和第二平面彼此分离开。第一扁平部分31和第二扁平部分32可以由基片35分开。基片35由介电材料制成。平行板谐振器30的基片35可以由与SIW结构20的基片22相同的材料制成。平行板谐振器30的基片35可以形成电路板的一部分。平行板谐振器30的基片35和SIW结构20的基片22可以形成同一电路板的一部分。平行板谐振器30的基片35可以形成SIW结构20的基片22的延伸。平行板谐振器30的基片35可以具有与SIW结构的基片相同的厚度。

另外，如本文所提出的平行板谐振器30被配置为用作单独的附加天线。该附加天线被配置为辐射水平极化的电磁波。通过在第一扁平部分31中集成附加天线结构33来形成附加天线。附加天线结构33由第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b形成。附加天线结构33在相对于SIW结构20的纵向方向为横向的方向上具有其主延伸。因此，附加天线结构33相对于SIW结构20的纵向方向横向地定向。这允许附加天线结构33用作平行板谐振器30中的“板”。根据非限制性示例，附加天线结构33可以在相对于SIW结构20的纵向方向为横向的方向上具有约为SIW结构20的尺寸被设定为发射的波长的一半的延伸。此外，根据非限制性示例，附加天线结构33可以在SIW结构20的纵向方向上具有约为SIW结构20的尺寸被设定为发射的波长的四分之一的延伸。然而，尺寸可能会根据SIW天线10的实现而有所不同。此外，附加天线结构33连接到第二馈源36。附加天线结构33可以包括形成扁平单极天线的扁平贴片。附加天线结构33可以包括形成扁平偶极天线的两个扁平贴片。因此，第一扁平部分31可以包括一个或更多个扁平贴片31a、31b。一个或更多个扁平贴片31a、31b由导电材料制成。导电材料通常是金属。一个或更多个扁平贴片31a、31b可以由平行板谐振器30的基片32支撑。附加天线结构33包括一个或更多个扁平贴片31a、31b。

图2例示了扁平偶极天线的示例。根据该实施方式，附加天线结构33包括两个扁平贴片31a、31b。扁平贴片中的第一扁平贴片31b可以接地。根据图2所示的示例，这是通过将扁平贴片中的第一扁平贴片31b经由接地连接39连接到SIW结构20的上层23来实现的。根据该示例，SIW结构20的上层23构成了SIW结构20的接地层。扁平贴片中的第二贴片31a连接到第二馈源36。第二馈源36可以是带状线馈源。

因此，SIW天线10可以看作是双重特性天线，其中，SIW结构20构成了第一天线结构，并且附加天线结构33构成了第二天线结构。第一线结构和第二天线结构二者均被配置为朝着共同的方向辐射电磁波。第一天线结构被配置为辐射垂直极化的电磁波。第二天线结构被配置为辐射水平极化的电磁波。

第二扁平部分32包括多个扁平突片34。多个扁平突片34在SIW结构20的纵向方向上延伸。多个扁平突片34可在SIW结构20的纵向方向上具有其主延伸。多个扁平突片34可以与SIW结构20的导电部分电绝缘。

第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b形成平行板谐振器30中的板中的第一个“板”。多个扁平突片34形成平行板谐振器30中的板中的第二个“板”。

第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b可以相对于第二扁平部分32的扁平突片34不对称。因此，与第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b相比，第二扁平部分32的扁平突片34可以具有不同的形状或具有不同的周期性。此外，第二扁平部分32可以是波纹状的结构，其中扁平突片34可以看作是顶部，并且它们之间的空间可以看作是波纹状的结构中的谷。

由于第二扁平部分32的扁平突片34相对于第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b不对称，因此平行板谐振器30中的第二扁平部分32将能透过由附加天线结构33发射的电磁波。相反，如果第二扁平部分32的扁平突片34相对于第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b对称，则第二扁平部分32将用作由附加天线结构33发射的电磁波的反射器。因此，由于第二扁平部分32的扁平突片34相对于第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b不对称，因此附加天线结构33的辐射方向图将具有与来自SIW结构20的辐射方向图相同的方向。

多个扁平突片34可具有周期性结构。因此，多个扁平突片34可以形成具有周期性重复图案的贴片。多个扁平突片34的周期性重复图案可以与第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b的周期性不同。根据非限制性示例，多个扁平突片34可以是曲线的、三角形的、矩形的或截头三角形的。多个扁平突片的周期性结构使与附加天线结构的方向平行的电流更少。三角形可以是优选的结构。这是因为它具有最小的总面积，这对附加天线结构的辐射方向图影响最小。三角形为SIW结构提供了寄生元件功能，以提高带宽。此外，对于附加天线结构，三角形呈现出较少量的散射。

多个扁平突片34的数量可以在3至10的范围内。

多个扁平突片34可以彼此电分离。通过将多个扁平突片34彼此分离开，将减小它们对附加天线结构33的辐射方向图的影响。多个扁平突片34可以彼此电连接。通过将多个扁平突片34连接在一起，可以增强它们作为增加SIW天线的带宽的匹配结构的效果。因此，多个扁平突片34彼此的连接或不连接取决于SIW天线10被设计用于哪些特定特性。

第一扁平部分31可以在与SIW结构的上层23或下层24相同的平面中延伸。第二扁平部分32可以在与SIW结构的上层23和下层24中的另一者相同的平面中延伸。

如上所述，第一扁平部分31的一个或更多个扁平贴片31a、31b与第二扁平部分32的扁平突片34之间的不对称性允许SIW结构20和附加天线结构33二者都朝着同一方向辐射。因此，SIW结构和附加天线可以被配置为朝着共同的方向辐射电磁波。

SIW结构20是具有端射方向图(end-fire pattern)的孔径天线，这意味着SIW结构20沿着SIW结构20的纵向辐射。如上所述，平行板谐振器30可以被设计为使得附加天线结构33具有相似的发射图案。然而，附加天线结构33被配置为辐射具有与从SIW结构20发射的电磁辐射的极化正交的极化的电磁辐射。

在图3中，例示了包括如上所述的多个SIW天线10的阵列天线200。多个SIW天线10可以被配置为被单独馈电。这将允许有关波束形成和空间复用的灵活操作。然而，单独对多个SIW天线10进行馈电可能实现起来很复杂。又另选地，多个SIW天线10可以被集总地馈电。这比单独馈电SIW天线10更容易实现。另选地，可以将多个SIW天线10分组为子组，其中每个子组包括一个或更多个SIW天线10。在单独馈电实现与集总馈电实现之间，这可能是一个很好的权衡。此外，根据该设计的阵列天线200可以被制造为具有比例如如图1所示的现有技术的阵列天线1更小的覆盖区。这是因为根据阵列天线200的这种设计的每个SIW天线10可以被配置为发射水平极化的电磁波和垂直极化的电磁波二者。在图1的现有技术的阵列天线1中，天线的第一子组的天线2a被配置为发射垂直极化的电磁波，而天线的第二子组的天线2b被配置为发射水平极化的电磁波。因此，与当前阵列天线200相比，现有技术阵列天线1需要更多的天线元件。

在图4中，例示了被配置为在毫米波通信系统内进行通信的电子设备300。电子设备300包括根据上述的天线阵列200。

本领域技术人员意识到，本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。

例如，两个通孔栅栏26a、26b可以平行布置，正如图2所示。然而，也可以使用其他几何形状。两个通孔栅栏26a、26b可以例如形成喇叭形结构，其中两个通孔栅栏26a、26b之间的距离在第一馈源26处比在辐射孔径27处小。

此外，第一馈源26和第二馈源36可以彼此分离开。通过这种方式，形成了可单独控制的天线结构。因此，可以单独地控制垂直极化电磁辐射的量和水平极化电磁辐射的量。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变型。

Claims (15)

1.一种基片集成波导SIW天线(10)，所述基片集成波导SIW天线(10)包括：

SIW结构(20)，该SIW结构(20)沿着水平面延伸，以将电磁波从第一馈源(26)沿着纵向方向引导到辐射孔径(27)；以及

平行板谐振器(30)，该平行板谐振器(30)被布置在所述辐射孔径(27)处，所述平行板谐振器(30)包括第一扁平部分(31)和第二扁平部分(32)，所述第一扁平部分(31)在与所述水平面平行的第一平面中延伸，所述第二扁平部分(32)在与所述水平面平行的第二平面中延伸，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此分离开；

其中，所述第一扁平部分(31)包括连接到第二馈源(36)的附加天线结构(33)，并且

其中，所述第二扁平部分(32)包括在所述纵向方向上延伸的多个扁平突片(34)，

其中，所述SIW结构(20)被配置为辐射在第一方向上极化的电磁波，并且其中，所述附加天线结构(33)被配置为辐射在第二方向上极化的电磁波，其中，所述第二方向与所述第一方向正交。

2.根据权利要求1所述的SIW天线，其中，所述第一扁平部分(31)和所述第二扁平部分(32)相对于彼此不对称。

3.根据权利要求1或2所述的SIW天线，其中，所述第一馈源(26)与所述第二馈源(36)分离开。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的SIW天线，其中，所述多个扁平突片(34)是曲线的、三角形的、矩形的或截头三角形的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的SIW天线，其中，所述多个扁平突片(34)彼此电分离。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的SIW天线，其中，所述多个扁平突片(34)彼此电连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的SIW天线，其中，所述SIW结构(20)和所述附加天线结构(33)被配置为朝着共同方向辐射电磁波。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的SIW天线，其中，所述附加天线结构(33)包括用于扁平单极天线的扁平贴片(31a)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的SIW天线，其中，所述附加天线结构(33)包括彼此电绝缘的至少两个扁平贴片(31a、31b)。

10.根据权利要求9所述的SIW天线，其中，所述至少两个扁平贴片(31a、31b)中的第一扁平贴片接地，并且其中，所述至少两个扁平贴片(31a、31b)中的第二扁平贴片连接到所述第二馈源(36)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的SIW天线，其中，所述附加天线结构(33)相对于所述SIW结构(20)的纵向方向横向地定向。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的SIW天线，其中，所述SIW结构(20)包括上层(23)和下层(24)，其中，所述上层(23)与所述下层(24)之间的距离在1.0mm至3.0mm的范围内。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的SIW天线，其中，所述多个扁平突片(34)的数量在3至10的范围内。

14.一种天线阵列(200)，所述天线阵列(200)包括多个根据权利要求1至13中任一项所述的SIW天线(10)。

15.一种被配置为在毫米波通信系统内进行通信的电子设备(300)，所述电子设备(300)包括：

根据权利要求14所述的天线阵列(200)，或

根据权利要求1至13中任一项所述的SIW天线。

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