CN113852397A - 近场通信装置 - Google Patents
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Abstract
一个例子公开了一种近场装置，包括：导电外壳，所述导电外壳以物理方式耦合到近场天线；近场天线，所述近场天线具有第一馈电点和第二馈电点，并且包括：第一感应线圈；以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第一末端的第一导电板；以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第二末端的第二导电板；基准电位；并且其中所述导电外壳以电流方式耦合到所述基准电位；其中所述第一感应线圈被配置成接收或发射近场磁信号；并且其中所述第一导电板和所述第二导电板以及所述导电外壳被配置成接收或发射近场电信号。
Description
技术领域
本说明书涉及用于近场装置的系统、方法、设备、装置、制品和指令。
背景技术
本文中论述的是用户身体上的一个或多个近场装置或导电表面的主体(即，体上装置)与其它导电表面和/或其它无线装置(即，离体装置)之间的近场交互，所述近场交互基于以下各项中的任一项：近场电磁感应(NFEMI)，其中发射器和接收器通过磁(H)场和电(E)场耦合；近场电感应(NFEI)，其中发射器和接收器通过电(E)场耦合；以及近场磁感应(NFMI/NFC)，其中发射器和接收器通过磁(H)场耦合。尽管RF无线通信是通过穿过自由空间传播RF平面波来实现的，但NFEMI、NFEI、NFMI和NFC使用非传播的准静态E场和/或H场信号来进行通信。
发明内容
根据示例实施例，一种近场装置包括：导电外壳，所述导电外壳以物理方式耦合到近场天线；近场天线，所述近场天线具有第一馈电点和第二馈电点，并且包括：具有耦合到所述第一馈电点的第一末端以及耦合到所述第二馈电点的第二末端的第一感应线圈；以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第一末端的第一导电板；以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第二末端的第二导电板；其中所述第一导电板以电容方式耦合到所述第二导电板；调谐电路，所述调谐电路耦合到所述第一馈电点和所述第二馈电点，并且包括：第一电容组、第二电容组、第一电阻组以及第二电阻组；其中每一个所述电容组的一个末端和每一个所述电阻组的一个末端耦合到所述第一馈电点或所述第二馈电点；基准电位；其中每一个所述电容组的另一末端和每一个所述电阻组的另一末端耦合到所述基准电位；并且其中导电外壳302以电流方式耦合到所述基准电位；其中所述第一感应线圈被配置成接收或发射近场磁信号；并且其中所述第一导电板和所述第二导电板以及所述导电外壳被配置成接收或发射近场电信号。
在另一示例实施例中，所述第一导电板与所述导电外壳相隔距离D1，产生电容Ca1；所述第二导电板与所述导电外壳相隔距离D2，产生电容Ca2；所述第一导电板与所述第二导电板相隔距离D3，产生电容Ca3。
在另一示例实施例中，D2大于D1；并且D2大于D3。
在另一示例实施例中，以法拉为单位的Ca1＝(A1∈o∈r1)/D1，其中：A1＝所述第一导电板的有效表面积；D1＝所述第一导电板与所述导电外壳之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r1＝所述第一导电板与所述导电外壳之间的材料的相对电容率；并且所述材料包括铁氧体。
在另一示例实施例中，Ca2＝(A2∈o∈r2)/D2，其中：A2＝面向所述导电外壳的所述第二导电板的有效表面积；D2＝所述第二导电板与所述导电外壳之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r2＝所述第二导电板与所述导电外壳之间的材料的相对电容率；并且所述材料包括铁氧体和非铁氧体衬底。
在另一示例实施例中，Ca3＝(A3∈o∈r3)/D3，其中：A3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的有效表面积；D3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的材料的相对电容率；并且所述材料为非铁氧体衬底。
在另一示例实施例中，所述第一电容组具有电容C1；所述第二电容组具有电容C2；V为所述第一馈电点与所述第二馈电点两端的电压；V＝Ve Q Ce/(Ce+CT)，其中：Ve＝以伏为单位的在电容Ca1、Ca2和Ca3中感应出的电压的等效电压；Q＝天线系统的品质因数；Ce＝由电容Ca1、Ca2和Ca3形成的所述第一馈电点与所述第二馈电点两端的等效电容；并且CT＝电容C1和C2的串联总和。
在另一示例实施例中，所述第一导电板被配置成相对于用户更接近所述导电外壳；并且所述第二导电板被配置成相对于所述导电外壳更接近所述用户。
在另一示例实施例中，所述用户为以下各项中的至少一项：人的身体、动物的身体、活生物体的身体、无生命对象的身体结构、机器人、车辆、对接系统、物理耦合系统和/或装配线上的站。
在另一示例实施例中，所述基准电位为接地电位。
在另一示例实施例中，另外包括控制器；所述第一电容组和所述第二电容组可由所述控制器可变地调谐；并且所述第一电阻组和所述第二电阻组可由所述控制器可变地调谐。
在另一示例实施例中，另外包括第二感应线圈，所述第二感应线圈具有电耦合到所述第一感应线圈的任一末端的第一末端，并且具有电耦合到所述导电板之一的第二末端。
在另一示例实施例中，所述近场天线和所述调谐电路由包封物包围；并且所述包封物至少部分地覆盖所述导电外壳。
在另一示例实施例中，所述第一感应线圈和所述馈电点被配置成承载电流；并且所述电流是基于所述近场磁信号的。
在另一示例实施例中，所述第一导电板和所述第二导电板被配置成承载电压；并且所述电压是基于所述近场电信号的。
在另一示例实施例中，所述第一感应线圈具有平面几何形状。
在另一示例实施例中，所述第二感应线圈的所述平面几何形状形成为包括以下各项的形状：圆形、矩形、多边形、椭圆形或菱形。
在另一示例实施例中，所述第一导电板和所述第二导电板被配置成具有相对于所述基准电位180度异相的电压。
在另一示例实施例中，所述装置嵌入在以下各项中的至少一项中：葡萄糖传感器、可穿戴装置、智能手表、智能手表外壳、无线移动装置、耳塞、助听器、头戴式耳机、活动跟踪器或心率监测仪。
以上论述并非旨在表示当前或未来权利要求集的范围内的每一示例实施例或每一实施方案。以下附图和具体实施方式还举例说明了各种示例实施例。
结合附图考虑以下详细描述可以更全面地理解各种示例实施例。
附图说明
图1是近场无线装置的例子。
图2是示例双线圈NFEMI天线。
图3是近场无线装置的示例电路图。
图4是定位在用户附近的近场装置的示例侧视图。
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但其细节已经借助于例子在图式中示出且将进行详细描述。然而，应理解，除所描述的具体实施例以外的其它实施例也是可能的。也涵盖落在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物和替代实施例。
具体实施方式
在各种示例实施例中，第一近场天线包括近场电感应天线(例如，NFEI或NFEMI天线)，并且被配置成用于体上通信。第二近场天线包括近场磁感应天线(例如，NFC天线)，并且被配置成用于离体通信。
例如，第一近场无线装置中的体上传感器可以被配置成将传感器的读数传送到第二体上近场无线装置，所述第二体上近场无线装置收集传感器的读数以及可能的其它用户信息。第三离体无线装置可以是给收集传感器的读数的第二体上近场无线装置供能的智能手机/NFC读取器，并且由此促使第二体上近场无线装置将所收集的传感器的读数发射到智能手机/NFC读取器。
注意，虽然本文中论述的示例实施例是指用户的身体、体上和离体，但在近场装置100的替代实施例中，身体在本文中被广泛地定义成至少包括：人的身体、动物的身体、活生物体的身体、无生命对象的身体结构、机器人、车辆、对接系统、物理耦合系统、装配线上的站等。
H场天线(即，磁天线)主要对磁场敏感和/或主要在由电流驱动时启动磁场。来自H场天线的任何E场分量极大地减小(例如，减小-20dB到-60dB，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
小型环形天线是示例H场天线，并且包括尺寸比其使用的波长小得多的环形天线。小型环形天线不会在NFEMI载波频率下谐振，而是替代地通过外部电抗调谐到谐振状态。在一些示例实施例中，小型环形天线中的电流在环路的各个位置中具有相同值。
E场天线(即，电天线)主要对电场敏感和/或主要在由电压驱动时启动电场。来自E场天线的任何H场分量极大地减小(例如，减小-20dB到-60dB，因数是0.1到0.0008(10％到0.08％)，这取决于天线设计)。
短加载偶极子天线是示例E场天线并包括尺寸比NFEMI载波频率小得多的短偶极子，并且在一些示例实施例中在两个末端均具有额外电容表面。
这些场的准静态特性是NFEMI天线尺寸与其载波频率组合的结果。大部分近场能量以磁场和电场的形式存储，而少量RF能量不可避免地在自由空间中传播。小型天线几何形状使自由空间中的辐射波减到最少。
在一些应用中，近场装置的各个部分可以包封在导电外壳中或由导电外壳电阻挡，所述导电外壳可以减少正常的近场通信，这是因为导电外壳会形成法拉第笼。
现在论述的是近场装置的示例实施例，所述近场装置具有这样的部分，所述部分由此类导电外壳包封或将以其它方式由此类导电外壳电阻挡，但使用下文的教示仍可以使用近场通信来有效地通信。在一些示例实施例中，外壳可以具有用以允许更好的远场(例如，WiFi、蓝牙等)通信和/或磁近场通信的窗口。
图1是近场无线装置100的例子。示例近场无线装置100包括近场天线102、调谐电路104、控制器108和收发器电路112。
控制器108被配置成监测和维持装置100的操作谐振频率和近场天线承载的近场信号(例如，NFEI或NFEMI)的操作带宽/品质因数。控制器108被配置成在操作谐振频率不同于预选谐振频率和/或操作带宽不同于预选带宽的情况下调整调谐参数。
调谐电路104被配置成响应于来自控制器108的信号而使用电容组(C组)来调整装置100的谐振频率，并使用电阻组(R组)来调整带宽。在一些例子中，C组和R组分立元件分别为约130pF和5000欧姆，以支持所需谐振频率(例如，10.6MHz)和带宽(例如，400KHz)。控制器108被配置成使用调谐电路104来调整(例如，递增/递减)C组和R组值。
在一些示例实施例中，收发器电路112被配置成将测试信号(例如，三个测试信号)注入到调谐电路104和天线102中。然后，控制器108被配置成：首先监测近场天线102的加载，并在加载不同于预选加载的情况下调整调谐参数。
图2是包括在近场无线装置100的近场天线102内的示例双线圈NFEMI天线200。天线200包括具有两个导电加载板225、230的短加载偶极子部分220和小型环形天线205。
小型环形天线包括至少两个耦合线圈215和217。第一线圈215具有电感L1，第二线圈217具有电感L2。线圈215和217均可以在连接点250处连接，使得形成比第一线圈215和第二线圈217的电感更大的电感。
线圈215和217均可以是缠绕在铁氧体芯210上的空心线圈，或者它们可以呈平面结构的形式。在铁氧体芯210型式中，线圈215和217可以交错方式缠绕在芯210上，或彼此缠绕在一起，即第二线圈217先缠绕在芯210上，然后第一线圈215紧接在第二线圈217之上缠绕在所述芯210上。
连接点245使第一线圈215的一个末端耦合到第一馈电点235且耦合到小型加载偶极子225的第一板。连接点250使第一线圈215的另一末端耦合到第二线圈217的一个末端且耦合到第二馈电点240。连接点255使第二线圈217的另一末端耦合到小型加载偶极子220的第二板230。
图3是近场无线装置100的示例电路图300。示例电路300示出了双线圈近场天线200、调谐电路104、控制器108和收发器电路112的理想化电当量。
近场天线102包括具有电阻(R3)且包括电感(L1)215和电感(L2)217的线圈(H场)天线205。在一些示例实施例中，近场天线102包括仅一个电感(L1)215。电感215、217可以为螺旋形或平面的，并且包围或附接到铁氧体材料或在另一承载材料上。当相同电感附接到铁氧体材料时，所述相同电感需要较少的环形导体。
如图所示的是具有电阻(R4)且包括第一导电板225和第二导电板230的矮加载偶极子(E场)天线220。短加载偶极子(E场)天线220进一步耦合到产生扩展的电(E场)天线304的导电外壳302。还示出了馈电点235、240。
第一电容(Ca1)形成于分隔开距离D1的第一导电板225与导电外壳302之间。第二电容(Ca2)形成于分隔开距离D2的第二导电板230与导电外壳302之间。在一些示例实施例中，D1小于D2。第三电容(Ca3)形成于分隔开距离D3的第一导电板225与第二导电板230之间。
以法拉为单位的Ca1＝(A1∈o∈r1)/D1，其中：A1＝面向外壳302的板225的以平方米为单位的有效表面积；D1＝板225与导电外壳302之间的以米为单位的距离；∈o＝自由空间的以法拉/米为单位的电容率；并且∈r1＝板225与外壳302之间的材料的相对电容率。
以法拉为单位的Ca2＝(A2∈o∈r2)/D2，其中：A2＝面向外壳302的板230的以平方米为单位的有效表面积；D2＝板230与导电外壳302之间的以米为单位的距离；∈o＝自由空间的以法拉/米为单位的电容率；并且∈r2＝板230与外壳302之间的材料的相对电容率。
以法拉第为单位的Ca3＝(A3∈o∈r3)/D3，其中A3＝板225与板230之间的以平方米为单位的有效表面积；D3＝板225与板230之间的以米为单位的距离；∈o＝自由空间的以法拉/米为单位的电容率；并且∈r3＝板225与板230之间的材料的相对电容率。
导电外壳302被配置成定位在距用户306远达距离D4处。“用户”在本文中被广泛地定义成包括：人、生物材料、机器人、车辆、对接系统、物理耦合系统、装配线上的站以及其它导电结构。
调谐电路104耦合到第一馈电点235和第二馈电点240。调谐电路104包括第一可变调谐电容组(C1)、第二可变调谐电容组(C2)、第一可变调谐电阻组(R1)以及第二可变调谐电阻组(R2)。电容组和电阻组耦合到基准电位308(例如，接地电位)。导电外壳302也耦合到基准电位308。电容组通过控制线310耦合到控制器108，并且电阻组通过控制线312耦合到控制器108。
控制器108调整第一电容组(C1)和第二电容组(C2)，以调整磁天线205和电天线220以及扩展的电天线304的谐振频率(例如，调整到10.6MHz)。控制器108调整第一电阻组(R1)和第二电阻组(R2)，以调整磁天线205和电天线220以及扩展的电天线304的带宽(例如，调整到400KHz)，使得所述带宽足以允许从天线205、220、304接收非传播的准静态近场信号。
在一些示例实施例中，利用控制器108使用控制线310均等地调谐电容组(C1)、(C2)，并且利用控制器108使用控制线312均等地调谐电阻组(R1)、(R2)，但在其它示例实施例中，它们可以进行可变的调谐。
当收发器电路112处于接收模式时，接收到的近场磁信号在电感L1 215中感应出电压，并且接收到的近场电信号在电容器Ca1、Ca2和Ca3中感应出电压，所述电压随后由L2217和调谐电路104转换成收发器电路112中的低噪声放大器(LNA)输入处的电压。LNA进一步连接到其它基带接收器电路系统。
仅由于加强型近场电天线而产生的收发器电路112中的LNA输入处的电压(V)为：V＝Ve Q Ce/(Ce+CT)，其中：Ve＝在电容Ca1、Ca2和Ca3中感应出的电压的以伏为单位的等效电压；Q＝天线系统104、200、304的品质因数；Ce＝调谐电路104、点235和240处存在的且由电容Ca1、Ca2和Ca3形成的以法拉为单位的等效电容；并且CT＝电容C1和C2的以法拉为单位的串联总和。
当收发器电路112处于发射模式时，收发器电路112中的输出放大器处的电压将电压发送到电感L1 215，由此生成发射的近场磁信号，并且将由L2 217升高的电压发送到电容器Ca1、Ca2和Ca3，由此生成发射的近场电信号。
图4是定位在用户306附近的近场装置100的示例侧视图400。例子400示出了导电外壳302、铁氧体层402、导电板225、衬底404、导电板230、包封物406、距离D1、D2、D3和D4，以及用户306。
在一些示例实施例中，衬底是厚度为4mm且电容率为4.4的电介质。电感(L1)215和(L2)217的导电材料的厚度可以为0.035mm。电感(L1)215和(L2)217以及导电板225附接到铁氧体层402。
铁氧体层402的厚度可以为0.1mm且磁导率为150。铁氧体层402附接到导电外壳302。导电板230附接到衬底404。
包封物406定位在铁氧体层402、导电板225、衬底404、导电板230以及电感(L1)215和(L2)217周围。在一些示例实施例中，包封物406为ABS材料。
在各种示例实施例中，近场装置100可以嵌入在定位在人体上的医疗装置中。例如，作为定期校正身体的葡萄糖(含)量且还可以通过身体与另一葡萄糖(含)量测量近场装置通信的胰岛素泵的一部分。近场装置100还可以嵌入用于无线体上网络的需要小型外观尺寸的各种可穿戴装置(例如，耳塞、智能手表、衣物传感器等)。
除非明确陈述特定次序，否则可以任何次序执行上文附图中论述的各种指令和/或操作步骤。同样，本领域的技术人员将认识到，虽然已论述了一些示例指令集/步骤，但本说明书中的材料可以多种方式组合以还产生其它例子，并且应在由此具体实施方式提供的上下文内来进行理解。
在一些示例实施例中，这些指令/步骤实施为功能和软件指令。在其它实施例中，指令可以使用逻辑门、专用芯片、固件以及其它硬件形式实施。
当指令体现为非暂时性计算机可读或计算机可用介质中的可执行指令集时，这些指令在编程有所述可执行指令且受所述可执行指令控制的计算机或机器上实现。所述指令经加载以在处理器(例如，一个或多个CPU)上执行。所述处理器包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统(包括一个或多个微处理器或微控制器)或其它控制或计算装置。处理器可以指单个组件或多个组件。所述计算机可读或计算机可用存储介质被视为物品(或制品)的一部分。物品或制品可以指任何制造的单个组件或多个组件。如本文所定义的非暂时性机器或计算机可用介质不包括信号，但此类介质能够接收并处理来自信号和/或其它暂时性介质的信息。
将容易理解，如本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图所表示的各种实施例的具体实施方式并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。尽管在图式中呈现了实施例的各种方面，但是除非具体指示，否则图式不一定按比例绘制。
在不脱离本发明的精神或基本特性的情况下，可以按其它具体形式体现本发明。所描述的实施例在所有方面均被视为仅是示意性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此具体实施方式指示。属于权利要求书等同含义和范围内的所有变化均涵盖在权利要求书的范围内。
本说明书通篇对特征、优点或类似语言的引用并不暗示可以通过本发明实现的所有特征和优点应在或在本发明的任何单一实施例中。相反地，提到特征和优点的语言应理解成意味着结合实施例所描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇对特征和优点以及类似语言的论述可以但不一定指代同一实施例。
此外，本发明的所描述特征、优点和特性可以用任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。本领域的技术人员将认识到，鉴于本文中的描述，本发明可以在无特定实施例的一个或多个具体特征或优点的情况下实践。在其它情况下，可以在某些实施例中识别出可能不存在于本发明的所有实施例中的额外特征和优点。
本说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意味着结合所指示的实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书通篇的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定全部指代同一实施例。
Claims (10)
1.一种近场装置，其特征在于，包括：
导电外壳，所述导电外壳以物理方式耦合到近场天线；
近场天线，所述近场天线具有第一馈电点和第二馈电点，并且包括：
具有耦合到所述第一馈电点的第一末端以及耦合到所述第二馈电点的第二末端的第一感应线圈；
以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第一末端的第一导电板；
以电容方式耦合到所述导电外壳且以电流方式耦合到所述第一感应线圈的所述第二末端的第二导电板；
其中所述第一导电板以电容方式耦合到所述第二导电板；
调谐电路，所述调谐电路耦合到所述第一馈电点和所述第二馈电点，并且包括：
第一电容组、第二电容组、第一电阻组以及第二电阻组；
其中每一个所述电容组的一个末端和每一个所述电阻组的一个末端耦合到所述第一馈电点或所述第二馈电点；
基准电位；
其中每一个所述电容组的另一末端和每一个所述电阻组的另一末端耦合到所述基准电位；并且
其中所述导电外壳以电流方式耦合到所述基准电位；
其中所述第一感应线圈被配置成接收或发射近场磁信号；并且
其中所述第一导电板和所述第二导电板以及所述导电外壳被配置成接收或发射近场电信号。
2.根据权利要求1所述的装置：
其特征在于，所述第一导电板与所述导电外壳相隔距离D1，产生电容Ca1；
其中所述第二导电板与所述导电外壳相隔距离D2，产生电容Ca2；并且
其中所述第一导电板与所述第二导电板相隔距离D3，产生电容Ca3。
3.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，D2大于D1；并且
其中D2大于D3。
4.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，以法拉为单位的Ca1＝(A1∈o∈r1)/D1，其中：A1＝所述第一导电板的有效表面积；D1＝所述第一导电板与所述导电外壳之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r1＝所述第一导电板与所述导电外壳之间的材料的相对电容率；并且
其中所述材料包括铁氧体。
5.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，Ca2＝(A2∈o∈r2)/D2，其中：A2＝面向所述导电外壳的所述第二导电板的有效表面积；D2＝所述第二导电板与所述导电外壳之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r2＝所述第二导电板与所述导电外壳之间的材料的相对电容率；并且
其中所述材料包括铁氧体和非铁氧体衬底。
6.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，Ca3＝(A3∈o∈r3)/D3，其中：A3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的有效表面积；D3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的距离；∈o＝自由空间的电容率；并且∈r3＝所述第一导电板与所述第二导电板之间的材料的相对电容率；并且
其中所述材料为非铁氧体衬底。
7.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，所述第一电容组具有电容C1；
其中所述第二电容组具有电容C2；
其中V为所述第一馈电点与所述第二馈电点两端的电压；并且
其中V＝Ve Q Ce/(Ce+CT)，其中：Ve＝在电容Ca1、Ca2和Ca3中感应出的电压的以伏为单位的等效电压；Q＝天线系统的品质因数；Ce＝由电容Ca1、Ca2和Ca3形成的所述第一馈电点与所述第二馈电点两端的等效电容；并且CT＝电容C1和C2的串联总和。
8.根据权利要求2所述的装置：
其特征在于，所述第一导电板被配置成相对于用户更接近所述导电外壳；并且
其中所述第二导电板被配置成相对于所述导电外壳更接近所述用户。
9.根据权利要求1所述的装置：
其特征在于，所述基准电位为接地电位。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
另外包括控制器；
其中所述第一电容组和所述第二电容组能由所述控制器可变地调谐；并且
其中所述第一电阻组和所述第二电阻组能由所述控制器可变地调谐。
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