CN114583447A - 超带宽天线阵列及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超带宽天线阵列及是电子设备，属于电子产品技术领域。天线阵列，包括：第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且第一距离和第二距离小于第三距离；其中，第一距离为第一天线单元与第三天线单元之间的距离，第二距离为第二天线单元与所述第三天线单元之间的距离，所述第三距离为所述第一天线单元与所述第二天线单元之间的距离；其中，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元的相位中心偏离几何中心。

Description

超带宽天线阵列及电子设备

技术领域

本申请属于电子产品技术领域，具体涉及一种超带宽天线阵列及电子设备。

背景技术

随着5G通信技术的发展，万物互联的时代即将到来，用户对电子设备的功能要求越来越多，便捷性，智能化提出了更高的要求。其中一个重要的应用室内定位、寻物等引入到电子设备中，实现这一功能用到超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术，该技术若需要获得很好的体验效果，对天线的性能提出了较高的要求。包括天线的高带宽、稳定的相位特性、空间角度上稳定的群延时(Group Delay)、良好的响应特性保真度因数(Fidelity Factor)等。为获得上述较好的特性，不仅仅需要设计特定的天线，还得需要合理的设置布局，以及天线的材料工艺的特性也需要一并考虑。

为获得良好的测角精度和较远的测距距离，对天线性能及空间设置提出了较高要求。现有的UWB天线方案，常采用半波长的贴片天线来设计，如图1所示，其相位中心一般与几何中心位置相差不大(图1中m1为相位中心，m2为馈电点)。而且，为了获得较好的测角精度，天线的间距设置一般需要接近半波长，即是相位中心间距接近半波长。

上述方案中要求天线的尺寸较大，天线间距也较大，因此，存在整个UWB天线占用空间较大的问题。而由于终端内摄像头模组的数量和占据空间的增加，以及蜂窝天线或非蜂窝天线数量和占据空间的增加，导致留给UWB的天线空间较小。因此，现有的UWB天线方案因占用空间较大，常常不能设置于终端内。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种超带宽天线阵列及电子设备，能够解决现有的UWB天线方案占用空间较大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种超带宽天线阵列，包括：第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且第一距离和第二距离小于第三距离；其中，所述第一距离为所述第一天线单元与所述第三天线单元之间的距离，所述第二距离为所述第二天线单元与所述第三天线单元之间的距离，所述第三距离为所述第一天线单元与所述第二天线单元之间的距离；其中，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元的相位中心偏离几何中心。

第二方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：如第一方面所述的超带宽天线阵列。

在本申请实施例中，超带宽天线阵列包括第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且第三天线单元分别与第一天线单元和第二天线单元相邻；其中，第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元的相位中心偏离几何中心。这样，即可根据电子设备的内环境，合理调整第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元的设置位置，能够使两个天线单元之间的相位中心间距小于几何中心间距，使两个天线单元排布更紧密，从而降低超带宽天线阵列的占用空间。如此，既解决了现有的UWB天线方案占用空间较大的问题，也能够确保超带宽天线阵列具有较好的天线性能，以及具有较好的测角精度。

附图说明

图1表示半波长贴片天线的示意图；

图2表示角度测量示意图；

图3表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之一；

图4表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之二；

图5表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之三；

图6表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之四；

图7表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之五；

图8表示本发明实施例的超带宽天线阵列的结构示意图之六；

图9表示本发明实施例的平面倒F天线的示意图；

图10表示本发明实施例的电子设备的结构示意图之一；

图11表示本发明实施例的电子设备的结构示意图之二；

图12表示本发明实施例的电子设备的结构示意图之三；

图13表示本发明实施例的主板支架的示意图；

图14表示本发明实施例的电子设备的结构示意图之四；

图15表示本发明实施例的电子设备的结构示意图之五。

附图标记说明：

10-电子设备；11-显示器；12-后壳；13-中壳；14-摄像模组；15-断点；16-主板支架；17-超带宽天线阵列；17a1-第一天线单元；17a2-第二天线单元；17a3-第三天线单元；17b1-第一馈电接触点；17b2-第二馈电接触点；17b3-第三馈电接触点；17c1-第一下地孔；17c2-第二下地孔；17c3-第三下地孔；17d-金属地；17e1-第一馈电信号线；17e2-第二馈电信号线；17e3-第三馈电信号线；17f-接触点；17g1-第一相位中心；17g2-第二相位中心；17g3-第三相位中心；17h1-第一开口槽；17h2-第二开口槽；17h3-第三开口槽；17i1-第一区域；17i2-第二区域；17i3-第三区域；17f-接触点；18-主板；19-屏蔽罩；20-板对板连接器(Board-To-Board Connectors，BTB)；L1-第一结构层；L2-第二结构层；L3-第三结构层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图2，对天线单元的相位中心间距接近半波长进行介绍。

在手机中应用UWB天线实现测角测距功能时，测角功能是基于到达角(Angle ofArrival，AOA)原理，AOA通过到达相位差(Phase Difference Of Arrival，PDOA)计算得来。理论上，PDOA的相位差由以下公式计算：

其中，

是相位差，d是天线的电间距(即是相位中心间距)，λ是工作波长，θ是来波的角度。

具体地，

的具体的推导过程如下：

首先，当被测物与终端的距离D大于几个波长时，D>>d，可以认为θ₁＝θ₂＝θ；其次，来波波前到达第一天线后，到达第二个天线就需要额外的距离d₁＝dcosθ；因此，距离

由此推导出：相位差

进一步得出，

为了避免影响AOA的结果，

必须小于180°，这样需要将d设置为d<λ/2，其中，λ是工作频率对应的波长。

由上可知，UWB天线通过间距为d的两天线单元的到达信号的相位差来计算来波角度θ，根据上述测角原理可知，合适的电间距(即是相位中心间距)才能获得较好的测角精度。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的超带宽天线阵列进行详细地说明。

请参照图3至图9，本发明实施例提供了一种超带宽天线阵列，包括：第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3，且第一距离和第二距离小于第三距离；其中，所述第一距离为所述第一天线单元17a1与所述第三天线单元17a3之间的距离，所述第二距离为所述第二天线单元17a2与所述第三天线单元17a3之间的距离，所述第三距离为所述第一天线单元17a1与所述第二天线单元17a2之间的距离；其中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3的相位中心偏离几何中心。

可选地，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3呈L型分布，且第三天线单元17a3分别与第一天线单元17a1和第二天线单元17a2相邻。

该实施例中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3为超带宽天线阵列的辐射结构。其中，第一天线单元17a1与第三天线单元17a3沿第一方向分布设置，用于垂直定位；第二天线单元17a2与第三天线单元17a3沿第二方向分布设置，用于水平定位；第一方向与第二方向互相垂直，使第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3大致呈L型分布。特别地，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3中的每个天线单元的相位中心均偏离天线几何中心的一侧，这样，通过对三支天线进行合理设置，能够使两个天线单元之间的相位中心间距小于几何中心间距，使两个天线单元排布更紧密，从而降低超带宽天线阵列的占用空间，而且通过保证两个天线单元之间的相位中心间距，能够提升了纵向天线间的PDOA特性，获得较好的测角精度。

在一实施例中，第一天线单元17a1具有第一开口槽17h1，第二天线单元17a2具有第二开口槽17h2，第三天线单元17a3具有第三开口槽17h3，且第一天线单元17a1的第一相位中心17g1位于第一开口槽17h1的槽底所在一端，第二天线单元17a2的第二相位中心17g2位于所述第二开口槽17h2的槽底所在一端，第三天线单元17a3的第三相位中心17g3位于第三开口槽17h3的槽底所在一端。

该实施例中，第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3用于对外辐射电磁波。

示例性地，如图3、图4、图7和图8所示，第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3呈横放的“U”型，且每个天线单元的相位中心靠近“U”型开口槽的“U”型底部一端，远离天线单元的闭合端。

需要说明的是，天线的开口朝向与天线单元的极化方向有关，上述示例中的天线单元的极化方向设置为水平，故第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3呈横向放置的“U”型。但是，根据不同的应用可不限于横向，如，在天线单元的极化方向为竖直时，第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3呈纵向放置的“U”型。

在一实施例中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3中的至少两个天线单元之间的相位中心间距大于几何中心间距。

即，相邻的第一天线单元17a1与第三天线单元17a3之间的相位中心间距大于几何中心间距，和/或，相邻的第二天线单元17a2与第三天线单元17a3之间的相位中心间距大于几何中心间距。

在一实施例中，第二开口槽17h2与所述第三开口槽17h3的开口朝向相反。第一开口槽17h1的开口朝向不做限制。

在一优选示例中，如图4所示，所述第一开口槽17h1与所述第三开口槽17h3的开口朝向相同，所述第二开口槽17h2与所述第三开口槽17h3的开口朝向相反，如此，第一天线单元17a1与第三天线单元17a3之间的相位中心间距为C，几何中心间距为B，相位中心间距较几何中心间距大。

在一实施例中，第一开口槽17h1与所述第三开口槽17h3的开口朝向相反。第二开口槽17h2的开口朝向不做限制。

在一优选示例中，如图7所示，所述第一开口槽17h1与所述第三开口槽17h3的开口朝向相反，所述第二开口槽17h2与所述第三开口槽17h3的开口朝向相反，如此，第一天线单元17a1与第三天线单元17a3之间的相位中心间距较几何中心间距大，而第二天线单元17a2与第三天线单元17a3的相位中心存在错位，实现第二天线单元17a2与第三天线单元17a3之间的相位中心间距较几何中心间距大。

需要指出的是，图4和图7中列举的UWB天线阵中天线单元的开口朝向的组合情况，但组合方式不限于以上示例，按照组合方式，存在多种组合方式，使得其中至少两个天线单元的相位中心相距最远，而另外一个天线单元的开口朝向不做限制。

上述实施例，由于相位中心间距较几何中心间距大，在保证天线单元之间的相位中心间隔接近二分之一波长的同时，可实现缩小两个天线之间的几何中心间距，如此，即能够大幅缩小天线的物理尺寸，而还能获得较好PDOA特性，即是能获得较好的测角性能。

在一实施例中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3均分别为四分之一波模式辐射的平面倒F(Planar Inverted F-shaped Antenna，PIFA)天线。

PIFA天线的相位中心在天线的开口槽一侧，如图9所示，m3为PIFA天线的馈地点，m2为PIFA天线的馈电点，m1为PIFA天线的相位中心，PIFA天线的相位中心偏离天线几何中心的一侧，且PIFA天线的尺寸约等于四分之一波长(λ/4)。如此，各天线单元的尺寸缩小较半波的贴片天线缩小一半。

该实施例中，通过利用PIFA天线作为超带宽天线阵列的天线单元，能在降低超带宽天线阵列的面积的同时，以较小的物理尺寸，获得较大相位中心间距，实现即确保超带宽天线阵列具有较好的天线性能，也具有较好的测角精度。

基于上一实施例，如图8所示，第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3的开口朝向相同。

该实施例中，将第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3的开口朝向设置成相同，如此，在将超带宽天线阵列设置在终端内时，可使第一开口槽17h1、第二开口槽17h2和第三开口槽17h3的开口朝向与摄像模组所在一侧相背，使第一天线单元17a1对应的第一相位中心17g1、第二天线单元17a2对应的第二相位中心17g2，第三天线单元17a3对应的第三相位中心17g3远离摄像模组，从而降低天线单元受到摄像头模组的影响。

需要指出的是，上述实施例列举的是第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3的相位中心与摄像模组等对天线性能影响大的器件的关系的最优实施例。可以理解，可以将三个天线单元中的其中两个的相位中心远离摄像模组，另一个天线单元的开口槽朝向可以是上下左右等多种旋转角度都可行。

在一实施例中，所述超带宽天线阵列包括依次层叠设置的第一结构层L1、第二结构层L2和第三结构层L3；

其中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3设置于所述第一结构层L1；第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3的馈电信号线设置于第二结构层L2，且第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元在第二结构层L2上的正投影位置设置为净空；所述第三结构层L3设有参考金属地。

该实施例中，超带宽天线阵列由柔性电路板制成，可以利用液晶高分子聚合物(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚酰亚胺(Modified Polyimide，MPI)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)等材料经过镀铜等工艺形成天线的线路。具体地，柔性电路板设置成三层走线，分别是第一结构层L1、第二结构层L2和第三结构层L3，第一结构层L1用于设置天线的辐射结构，第二结构层L2设置天线的馈电信号线，第三结构层L3设置完整的参考金属地17d。

示例性地，如图3所示，其示出的是一个完整的柔性电路板，如图4至6所示，其分别示出的是从上到下依次层叠设置的第一结构层L1、第二结构层L2和第三结构层L3。

如图3和4中，第一结构层L1中设有辐射结构包括：第一天线单元17a1、第二天线单元17a2、第三天线单元17a3，且第一天线单元17a1设置有第一馈电接触点17b1、第二天线单元17a2设有第二馈电接触点17b2、第三天线单元17a3设有第三馈电接触点17b3。

具体地，第一天线单元17a1的闭合端设置多个第一下地孔17c1、第二天线单元17a2的闭合端设置多个第二下地孔17c2、第三天线单元17a3的闭合端设置多个第三下地孔17c3，这样每个天线单元相当于一个PIFA天线，天线尺寸A约等于天线工作频率的四分之一波长，相较于半波长的贴片天线尺寸缩小约一半。

如图5中，第二结构层L2中包括第一天线单元17a1的第一馈电信号线17e1、第二天线单元17a2的第二馈电信号线17e2、第三天线单元17a3的第三馈电信号线17e3；且各个馈电信号线的周边区域设置金属地17d；各个天线单元在第二结构层L2的正投影区域(如图5中的第一区域17i1、第二区域17i2、第三区域17i3)设置净空，相应的金属层剥离。

如图6所示，第三结构层L3设置完整的参考金属地17d，用来束缚馈电信号线的阻抗，同时作为天线单元的地，第三结构层L3同时设置有与主板BTB连接器20相连的接触点17f。

还需要说明的是，上述的第一馈电信号线17e1与第一馈电接触点17b1连接，第二馈电信号线17e2与第二馈电接触点17b2连接，第三馈电信号线17e3与第三馈电接触点17b3连接，连接方式均为相邻两层打孔镀铜连接。上述第一结构层L1、第二结构层L2和第三结构层L3的金属地层通过多个通孔镀铜连接。

在一实施例中，第一天线单元17a1、第二天线单元17a2和第三天线单元17a3中的相邻两个天线单元之间设置有金属地。

该实施例中，相邻两个天线单元之间设置有金属地17d，能够提升相邻两个天线单元间的隔离度。

请参照图10至图15，本发明实施例还提供了一种电子设备10，包括：如上所述的超带宽天线阵列17。

其中，电子设备包括但不限于手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载终端设备、可穿戴设备、以及计步器等。

电子设备可设置有无线通信电路，无线通信电路可用于支撑多个无线通信频带中的无线通信。由无线通信电路处理的通信频带(在本文中有时被称为频带)可包括卫星导航系统通信频带、蜂窝电话通信频带、无线局域网通信频带、近场通信频带、超宽带通信频带或其他无线通信频带。

示例性地，如图10至12所示，电子设备10可具有显示器，显示器11可被安装在电子设备10的正面上如图10所示。显示器11可以是结合电容式触摸电极的或者可对触摸不灵敏的触摸屏。电子设备10可包括壳体，如图10至11中的后壳12，以及在后壳12和显示器11之间设置中壳13，中壳13可为金属材质，中壳13上设置多个断点15。

在一实施例中，电子设备10还包括：摄像模组；

在所述超带宽天线阵列的第一天线单元17a1的第一开口槽17h1、第二天线单元17a2的第二开口槽17h2和第三天线单元17a3的第三开口槽17h3的开口朝向相同的情况下，所述开口朝向与所述摄像模组所在一侧相背。

示例性地，如图11至15所示，后壳12的正下方设置有多个摄像头模组14，超带宽天线阵列17的天线单元的开口朝向背离摄像模组，即，使相位中心远离摄像模组，避免摄像模组对天线性能的影响。

在一实施例中，电子设备10还包括：壳体和设置在所述壳体内的主板；

其中，所述主板上设置有天线芯片，所述超带宽天线阵列与所述天线芯片电连接。

如图12所示，在隐藏掉图11的后壳12后，后壳12的正下方设置有主板支架16，主板支架16上设置有上述超带宽天线阵列17，主板支架16可为金属材质，在其中间区域设置有开口160，便于UWB天线穿过开口160与主板18进行电连接，在超带宽天线阵列17的周边区域设置有多个螺丝孔161、162、163、164，螺丝孔使用螺丝将主板支架16与主板进行固定导通接地，便于UWB天线阵的安装。

如图14和15所示，隐藏掉主板支架16后，可以看到在中壳13的正上方(即是主板支架16的下方)设置有主板18，主板18上设置有屏蔽罩19，在屏蔽罩19的一边设置有BTB连接器20；所述主板内设置有UWB的芯片，BTB连接器20用于将主板上的UWB芯片与UWB天线阵列17内的各个天线单元连接。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (12)

1.一种超带宽天线阵列，其特征在于，包括：第一天线单元、第二天线单元和第三天线单元，且第一距离和第二距离小于第三距离；其中，所述第一距离为所述第一天线单元与所述第三天线单元之间的距离，所述第二距离为所述第二天线单元与所述第三天线单元之间的距离，所述第三距离为所述第一天线单元与所述第二天线单元之间的距离；

其中，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元的相位中心偏离几何中心。

2.根据权利要求1所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元中的至少两个天线单元之间的相位中心间距大于几何中心间距。

3.根据权利要求1所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元具有第一开口槽，所述第二天线单元具有第二开口槽，所述第三天线单元具有第三开口槽，且所述第一天线单元的第一相位中心位于所述第一开口槽的槽底所在一端，所述第二天线单元的第二相位中心位于所述第二开口槽的槽底所在一端，所述第三天线单元的第三相位中心位于所述第三开口槽的槽底所在一端。

4.根据权利要求3所述的超带宽天线阵列，其特征在于，第二开口槽与所述第三开口槽的开口朝向相反。

5.根据权利要求3所述的超带宽天线阵列，其特征在于，第一开口槽与所述第三开口槽的开口朝向相反。

6.根据权利要求1所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元、所述第二天线单元和第三天线单元均分别为四分之一波模式辐射的平面倒F天线。

7.根据权利要求6所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元的第一开口槽、所述第二天线单元的第二开口槽和所述第三天线单元的第三开口槽的开口朝向相同。

8.根据权利要求1所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述超带宽天线阵列包括依次层叠设置的第一结构层、第二结构层和第三结构层；

其中，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元设置于所述第一结构层；

所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元的馈电信号线设置于所述第二结构层，且所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元在所述第二结构层上的正投影位置设置为净空；

所述第三结构层设有参考金属地。

9.根据权利要求1所述的超带宽天线阵列，其特征在于，所述第一天线单元、所述第二天线单元和所述第三天线单元中的相邻两个天线单元之间设置有金属地。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至9任一项所述的超带宽天线阵列。

11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，还包括：摄像模组；

在所述超带宽天线阵列的第一天线单元的第一开口槽、第二天线单元的第二开口槽和第三天线单元的第三开口槽的开口朝向相同的情况下，所述开口朝向与所述摄像模组所在一侧相背。

12.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，还包括：壳体和设置在所述壳体内的主板；

其中，所述主板上设置有天线芯片，所述超带宽天线阵列与所述天线芯片电连接。

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