CN114725639B - 一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；所述第一方环铁氧体体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。本申请四端口环形器具有小型化、重量轻、低损耗、高传输效率等优点，可广泛应用于微波通信系统中。

Description

一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器。

背景技术

环形器作为控制电磁波单向传输的非互易器件，能够实现电磁波从一个端口输入，而从其它指定的端口输出，在避免接、发信号之间干扰、保护信号源等方面具有十分重要的作用。在航空航天、雷达和微波通讯系统中有着广泛的应用。目前，就大部分环形器而言存在结构复杂、不易设计和损耗较大等缺陷且有关四端口环形器的相关研究则相对较少。因此，在微波段设计一种体积小、重量轻和高性能的微波器件已成为通讯领域关注的焦点。

近年来，随着新型人工电磁超材料领域的飞速发展，设计等离激元器件已经掀起了一股研究热潮。在低频段，人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)受到了众多学者的广泛关注，它是一种高度局部化的表面波，这种表面波能够沿弯曲、螺旋等柔性、可共形的超薄SSPPs波导上表现出良好的传输特性。由于其具有很强场束缚能力和实现电磁能量的低损耗、高效率传输等特性，基于此来设计各种等离激元微波器件，引起了人们的极大关注。它的出现为实现器件朝小型化、紧凑型的方向发展开辟了新的途径和设计方案。

微波铁氧体是实现非互易电磁器件的核心，利用铁氧体的旋磁特性制作各种器件(如环形器、隔离器和移相器)，微波铁氧体技术的不断发展，使微波技术领域进入新的阶段。

在微波段利用铁氧体(YIG)上磁表面等离激元来调控电磁波传输的单向性。在铁氧体上施加一定强度的磁场时，磁表面等离激元就会出现在铁氧体的表面。在一定频率范围内，这种磁表面等离激元模式的传播方向是单向的。基于磁表面等离激元模式的单向性可以设计包括环形器在内的各种非互易器件。

相比于现有的微带铁氧体环形器而言，本发明设计在高性能、小型化、易于设计和重量轻等方面具有明显的优势。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，其具有重量轻、高隔离性能、低插入损耗和回波损耗，用以解决现有的环形器损耗高且结构复杂等问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；

所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；

所述两个方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；

所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。

进一步，所述内部SSPPs波导包括两个平行设置的梳状波导，每个梳状波导具有两个端口；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片位于两个梳状波导之间，且对称设置在两个梳状波导的上下侧。

进一步，当在两个方环铁氧体片上施加恒定的磁场时，方环铁氧体片表面产生单向磁表面等离激元波，利用单向磁表面等离激元波与SSPPs的耦合效应，使得从内部SSPPs波导各端口输入的电磁波定向耦合至指定端口输出，实现单向传输。

进一步，通过改变外加磁场的方向，可以改变方环铁氧体中磁表面等离激元波的环绕方向，进而改变内部SSPPs波导各端口对应的所述指定端口。

进一步，所述金属层的高度与所述方环铁氧体片的内、外侧壁高度相同；所述金属层的材质优选为铜。

进一步，所述两个梳状波导结构相同，每个梳状波导均包括：金属凹槽结构，金属叶片；

在金属凹槽结构的每一端的两侧均对称设置两个金属叶片；所述两个金属叶片形成扩口结构。

进一步，所述金属凹槽结构包括一体成型的矩形金属片、梯度凹槽结构以及矩形凹槽结构；所述梯度凹槽结构位于矩形凹槽结构的两侧并向矩形凹槽结构倾斜，所述矩形金属片位于梯度凹槽结构的两侧；所述金属叶片包括靠近矩形金属片的第一叶片和远离矩形金属片的第二叶片；所述矩形金属片与设置在其上下两侧的第一叶片形成共面波导；

所述共面波导用于接收外部输入的电磁波并转换为导波进行传输；所述梯度凹槽结构用于将导波转换为SSPPs波，所述矩形凹槽结构用于传输SSPPs波。

进一步，所述梯度凹槽结构的倾斜角为：

θ表示梯度凹槽结构的倾斜角；L3表示梯度凹槽结构的长度，W₀表示梯度凹槽结构的宽度。

进一步，所述内部SSPPs波导还包括柔性基板，所述两个梳状波导印制在所述柔性基板上。

进一步，所述方环铁氧体片的材质为钇铁石榴石。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1.本申请的四端口环形器包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面，结构设计新颖，金属地平面、铁氧体和SSPPs波导之间形成牢固的稳定结构，确保等离激元环形器具有可靠的机械和电磁性能。

2.本申请各结构部件尺寸均在几十毫米的量级，使得整体结构具有小型化、重量轻、结构设计简单、易实现、成本低和可靠性强等优点。

3.在微波频段(9.7—10.3GHz)内，本申请四端口环形器具有低损耗、高传输效率和隔离的单向传输特性。这在微波通信系统中，保护信号源、波分复用和信号的定向传输等方面有着极大的应用前景。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为一个实施例中四端口环形器结构示意图；

图2为一个实施例中金属地平面、方环铁氧体以及梳状波导结构尺寸示意图；

图3为一个实施例中电磁波从端口port1入射时的电场分布图；

图4为一个实施例中电磁波从端口port2入射时的电场分布图；

图5为一个实施例中电磁波从端口port3入射时的电场分布图；

图6为一个实施例中电磁波从端口port4入射时的电场分布图；

图7为一个实施例中电磁波从端口1入射时的S参量曲线图；、

图8为一个实施例中电磁波从端口2入射时的S参量曲线图；

附图标记：1-第一金属地平面；2-第一金属层；3-第一方环铁氧体；4-内部SSPPs波导；5-第二金属层；6-第二方环铁氧体；7-第二金属地平面。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，如图1所示，该环形器包括依次层叠设置的第一金属地平面1、第一方环铁氧体片3、内部SSPPs波导4、第二方环铁氧体片6、第二金属地平面7；

所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；所述两个方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层，即所述第一方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上设有第一金属层2，所述第二方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上设有第二金属层5；

所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合。

在方环铁氧体片的内、外壁侧附有金属层，能够提高电磁波的传输效率和隔离效果，以减少电磁波在方环铁氧体中的辐射损耗。

具体的，所述金属层的高度与内外侧壁高度相同，即金属层与方环氧体片表面平齐。

所述金属层的材质可以是金、银、铜等，考虑到性价比，金属层材质优选为铜。

两个金属地平面放置在方环铁氧体两侧，以增强单向通道的稳健性。

金属地平面1和7的材质可以是金、银、铜等，考虑到性价比，金属层材质优选为铜。

具体的，金属地平面和方环铁氧体片的结构尺寸如图2所示，该金属地平面的长度L＝43mm，宽度W＝20.5mm，方环铁氧体片的内侧壁与外侧壁的长度L₁＝20.5mm和L₂＝12.3mm，方环铁氧体为片状结构。本申请不对上述金属地平面以及方环铁氧体片的结构尺寸作具体限定，上述结构尺寸可以根据实际的环形器尺寸进行设计。

优选的，方环铁氧体片的材质为钇铁石榴石(YIG)型材料，其饱和磁化强度为1850Gs，谐振线宽为15Oe，相对介电常数为15。可以利用材料加工和激光切割等技术制作而成。

具体的，所述内部SSPPs波导包括两个平行设置的梳状波导，每个梳状波导具有两个端口；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片位于两个梳状波导之间，且对称设置在两个梳状波导的上下侧。

为提高传输效率和保证宽带性能，梳状波导采用凹槽型金属结构以支撑SSPPs模式传播；具体的，如图2所示，所述两个梳状波导结构相同，每个梳状波导均包括：金属凹槽结构，金属叶片；在金属凹槽结构的每一端的两侧均对称设置两个金属叶片，所述两个金属叶片形成扩口结构，每个梳状波导设置四个金属叶片。

具体的，所述金属凹槽结构包括一体成型的矩形金属片、梯度凹槽结构以及矩形凹槽结构；所述梯度凹槽结构位于矩形凹槽结构的两侧并向矩形凹槽结构倾斜，所述矩形金属片位于梯度凹槽结构的两侧；所述金属叶片包括靠近矩形金属片的第一叶片和远离矩形金属片的第二叶片；所述第一叶片和第二叶片为一体化结构；所述矩形金属片与设置在其上下两侧的第一叶片形成共面波导；

所述共面波导用于接收外部输入的电磁波并转换为导波进行传输；所述梯度凹槽结构用于将导波转换为SSPPs波，所述矩形凹槽结构用于传输SSPPs波。

所述梯度凹槽结构与所述矩形凹槽结构相接的凹槽端面与所述矩形凹槽结构的凹槽尺寸一致。

具体的，如图2所示，所述第一叶片的形状为矩形，位于金属凹槽结构的两端处的矩形金属片，与位于矩形金属片上下两侧的第一叶片形成共面波导，即所述梳状波导的两端为共面波导；其中，第一叶片的长度L₆与所述矩形金属片的长度L₅相同；优选的，所述第一叶片的长度L₆和所述矩形金属片的长度L₅设置为3.8mm，所述第一叶片的宽度W₁为6mm。

所述第二叶片的形状可以是1/4个椭圆形，两个第二叶片对称设置在金属凹槽结构的两侧，形成扩口结构，该结构能够减少电磁波的传播损耗，提高电磁波在金属凹槽结构中的传输效率。

第二叶片的形状也可以设置为三角形或其他类型形状，本申请不对第二叶片的具体形状进行限定，只要保证两个第二叶片形成扩口结构即可。

优选的，所述第二叶片的长度L₄为78mm。金属凹槽结构的实际宽度W₀为3mm，第一叶片与金属凹槽结构之间的距离g为0.5mm。

优选的，金属凹槽结构为一体成型结构，实施时，可以取一个长条形金属片，在其中间部位通过刻蚀形成矩形凹槽结构，在矩形凹槽结构两侧刻蚀出凹槽深度呈梯度变化的梯度凹槽结构，并且在长条形金属片的两侧留取一定长度的金属片不进行刻蚀，作为共面波导中的矩形金属片，最终形成本申请的一体成型的金属凹槽结构。

优选的，梯度凹槽结构和矩形凹槽结构中，每个凹槽的宽度为1.6mm，矩形凹槽的深度为2.2mm，矩形凹槽的周期为3mm；其中，梯度凹槽结构的宽度、矩形凹槽结构的宽度、矩形金属片的宽度均相同，其宽度值均为金属凹槽结构的宽度W₀；

优选的，所述梯度凹槽结构的倾斜角θ为：

式中，θ表示梯度凹槽结构的倾斜角；L₃表示梯度凹槽结构的长度，W₀表示梯度凹槽结构的宽度。

通过设置梯度凹槽结构，能够实现共面波导与矩形凹槽结构之间的波矢匹配，进一步提高电磁波传输效率。

采用金属叶片和梯度凹槽结构将传统的导波模式高效的转化成SSPPs模式，提高了SSPPs的传输效率和稳健性。

通过梯度凹槽结构和矩形凹槽结构，实现了电磁波的匹配过渡，将色散严重和损耗大的导波过渡为SSPP波，提高了环形器的传输性能。结合仿真模拟环形器的环形性能试验条件，若金属凹槽结构和金属叶片的尺寸过大，不利于实现环形器的小型化和紧凑性优点；若上述尺寸太小，受实验条件的约束，精确度存在偏差，导致仿真实验误差较大。以上尺寸适宜，有利于仿真模拟实验对环形器的环形性能测试。

通过梯度凹槽结构，解决了导波随着频率的增加色散严重和损耗大的问题，实现了将导波转化为SSPPs波，SSPPs波能很好地被约束在内部SSPPs波导体内，可实现长距离传输，减少了电磁波的损耗。

优选的，所述内部SSPPs波导还包括柔性基板，所述两个梳状波导印制在所述柔性基板上。

具体的，内部SSPPs波导采用PCB印刷技术，将金属凹槽结构和八个金属平面印制在柔性基板上；

优选的，所述柔性基板为介质基板F4B；F4B基板的相对介电常数为2.65，正切损耗为tanδ＝0.001；

优选的，所述金属凹槽结构和金属叶片的厚度为0.018mm，所述介质基板F4B的厚度为0.2mm。

通过上述PCB印刷技术制作内部SSPPs波导，具有制作简单、加工方便的优点，同时介质基板极薄不影响等离激元环形器整体结构的对称性，提高了等离激元环形器的紧凑性。

在微波段可以利用铁氧体(YIG)上磁表面等离激元来调控电磁波传输的单向性。在铁氧体上施加一定强度的磁场时，磁表面等离激元就会出现在铁氧体的表面。在一定频率范围内，这种磁表面等离激元模式的传播方向是单向的，本申请正是基于磁表面等离激元模式的单向性来设计环形器的。

当在两个方环铁氧体片上施加恒定的磁场时，方环铁氧体片表面产生单向磁表面等离激元波，利用单向磁表面等离激元波与SSPPs的耦合效应，使得从内部SSPPs波导各端口输入的电磁波定向耦合至指定端口输出，实现单向传输。

在微波段，铁氧体在外加磁场的作用下，其磁导率μ_m具有张量特性，可以表示为

其张量元为

其中，ω₀＝μ₀γH₀ω_m＝μ₀γM_Sγ—旋磁比，M_S—饱和磁化强度，H₀—外加偏置磁场，ω₀—拉莫角频率。

为了直观的说明环形性能，我们用商业软件CST 2015数值模拟了10GHz处电场强度分布如图3-6所示，SSPPs模式在金属凹槽结构SSPPs波导中传播。一条SSPPs波导的两个终端构成环形器的两个端口port1、port4；另一条SSPPs波导的两个终端构成环形器另外两个端口port2、port3。图中分别展示了电磁波沿不同端口输入时的电场强度分布，可以更加清晰的展示其工作原理。当外加磁场垂直于纸面向里时，磁场强度大小为1000Gs；工作频率为10GHz,单向磁表面等离激元沿方环铁氧体的做逆时针方向传播。当电磁波分别从port1、port2、port3、port4输入时，其传播情况分别展示在图3-6中。

如图3所示，当电磁波从port1输入时，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式的波矢匹配，两种模式发生耦合；由于磁表面等离激元沿逆时针方向传播，与另一条波导发生耦合，使电磁能量沿SSPPs波导传输至port2输出，即端口port1的指定端口为port2。如图4所示，当电磁波从port2输入时，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式波矢反向，两种模式不能发生耦合，故电磁能量沿SSPPs波导传输至port3输出，即port2的指定端口为port3。同理，由于其等离激元环形器结构的对称性，当电磁波从port3输入时，两种模式发生耦合，导致电磁能量从port4输出，如图5所示，即port3的指定端口为port4；当电磁波从port4输入时，两种模式不发生耦合，导致电磁能量从port1输出，如图6所示，即port4的指定端口为port1。从场的分布情况来看，从不同端口入射时表现出高度的对称性，在1→2→3→4→1顺序下实现完美循环。

具体的，通过改变外加磁场的方向，可以改变方环铁氧体中磁表面等离激元波的环绕方向，进而改变内部SSPPs波导各端口对应的所述指定端口。

当外加磁场的方向垂直于方环铁氧体的表面时，此时磁表面等离激元沿方环铁氧体的表面做单方向的环绕；当外加磁场的方向改变时，此时磁表面等离激元沿方环铁氧体的表面做环绕的方向在顺时针和逆时针方向之间切换。

当外加磁场垂直于纸面向外时(磁场大小不变)，单向磁表面等离激元沿方环铁氧体的做顺时针方向传播。当电磁波分别从port1、port2、port3、port4输入时，根据单向磁表面等离激元与SSPPs的波失匹配情况，可知当电磁波从port1输入时，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式波矢反向，两种模式不能发生耦合，故电磁能量沿SSPPs波导传输至port4输出，即此时port1的指定端口变为port4；当电磁波从port4输入，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式波矢同向，两种模式发生耦合，故电磁能量耦合至另一波导从port3端口输出，即此时port4端口的指定端口变为port3。当电磁波从port3输入时，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式波矢反向，两种模式不能发生耦合，故电磁能量沿SSPPs波导传输至port2输出，即此时port3的指定端口变为port2；当电磁波从port2输入，由于SSPPs模式的波矢与单向磁表面等离激元模式波矢同向，两种模式发生耦合，故电磁能量耦合至另一波导从port1端口输出，即此时port2端口的指定端口变为port1。从以上分析可以看出，从不同端口入射时表现出高度的对称性，在1→4→3→2→1顺序下实现完美循环。可以看出，当改变外加磁场的方向后，激发出的磁表面等离激元的方向发生改变，进而使得环形器各端口对应的指定端口也发生改变，从而可以通过改变外加磁场的方向来调节环形器各端口的传输方向并实现单向传输。

图7显示了电磁波从端口1入射时(外加磁场垂直于纸面向里时)S参量曲线的变化情况，从图中可以看出9.7GHz到10.3GHz之间，回波损耗和隔离度基本上小于-15dB，插入损耗小于-2dB。图8显示了电磁波从端口2入射(外加磁场垂直于纸面向里时)时S参量曲线的变化情况，在9-11GHz频率范围内，插入损耗大于-1dB，而回波损耗和隔离度则小于-15dB。这表明等离激元器具有高隔离、低插损的优异性能。上面分析了电磁波从端口1和端口2(正向和反向)入射时的S参数曲线。由于等离激元环形器结构的对称设计和单向边界态的手性特征，当电磁波从端口3或(端口4)入射时的S参数曲线与从端口1或(端口2)入射时的S参数曲线，其的变化趋势具有明显的一致性。充分证明基于人工表面等离激元的四端口环行器显示出良好的性能。

本发明提出的四端口等离激元环形器，具有低损耗和高效率传输特性。在工作频率9.7—10.3GHz范围内，当电磁波从不同端口输入时，展示出良好的循环性能，具备了结构简单、易于设计、小型化和重量轻的等特点。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于人工表面等离激元波的四端口环形器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面；

所述内部SSPPs波导具有四个端口，所述两个方环铁氧体片用于在外加磁场作用下产生单向磁表面等离激元波；

所述两个方环铁氧体片的内侧壁和外侧壁上均设有金属层；

所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片结构相同，所述第一金属地平面、第一方环铁氧体片、内部SSPPs波导、第二方环铁氧体片、第二金属地平面的中心轴线重合；所述内部SSPPs波导包括两个平行设置的梳状波导，每个梳状波导具有两个端口；所述第一方环铁氧体片和第二方环铁氧体片位于两个梳状波导之间，且对称设置在两个梳状波导的上下侧。

2.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于，当在两个方环铁氧体片上施加恒定的磁场时，方环铁氧体片表面产生单向磁表面等离激元波，利用单向磁表面等离激元波与SSPPs的耦合效应，使得从内部SSPPs波导各端口输入的电磁波定向耦合至指定端口输出，实现单向传输。

3.根据权利要求2所述的四端口环形器，其特征在于，通过改变外加磁场的方向，可以改变方环铁氧体中磁表面等离激元波的环绕方向，进而改变内部SSPPs波导各端口对应的所述指定端口。

4.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于，所述金属层的高度与所述方环铁氧体片的内、外侧壁高度相同；所述金属层的材质优选为铜。

5.根据权利要求1所述的四端口环形器，其特征在于，所述两个梳状波导结构相同，每个梳状波导均包括：金属凹槽结构，金属叶片；

在金属凹槽结构的每一端的两侧均对称设置两个金属叶片；所述两个金属叶片形成扩口结构。

6.根据权利要求5所述的四端口环形器，其特征在于，所述金属凹槽结构包括一体成型的矩形金属片、梯度凹槽结构以及矩形凹槽结构；所述梯度凹槽结构位于矩形凹槽结构的两侧并向矩形凹槽结构倾斜，所述矩形金属片位于梯度凹槽结构的两侧；所述金属叶片包括靠近矩形金属片的第一叶片和远离矩形金属片的第二叶片；所述矩形金属片与设置在其上下两侧的第一叶片形成共面波导；

所述共面波导用于接收外部输入的电磁波并转换为导波进行传输；所述梯度凹槽结构用于将导波转换为SSPPs波，所述矩形凹槽结构用于传输SSPPs波。

7.根据权利要求6所述的四端口环形器，其特征在于，所述梯度凹槽结构的倾斜角为：

θ表示梯度凹槽结构的倾斜角；L₃表示梯度凹槽结构的长度，W₀表示梯度凹槽结构的宽度。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的四端口环形器，其特征在于，所述内部SSPPs波导还包括柔性基板，所述两个梳状波导印制在所述柔性基板上。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的四端口环形器，其特征在于，所述方环铁氧体片的材质为钇铁石榴石。

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