CN114864359B - 一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于行波管高效率技术领域，具体涉及一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法。本发明对不同电子注的接口的能量分布曲线进行分析，计算使得多个电子接口的理论平均收集极效率和多个电子接口中的理论最小收集极效率都达到最大值时的理论最佳收集极电压分配值。参考理论最佳收集极电压分配值，对收集极结构进行设计和优化。最后可得到具有兼容多种电子接口的高效率、低回流的收集极。本发明实现了多种电子接口下的高性能收集极快速设计，有助于提高宽带型行波管和多模式行波管的收集极性能，进而提高行波管的整体性能。本发明对提升宽带行波管和多模式行波管的整管效率具有重要的参考价值。

Description

一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法

技术领域

本发明属于行波管高效率技术领域，具体涉及一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法。

背景技术

行波管是宽频带大功率的微波电子器件，因其具有大功率、高效率、大宽带、高可靠、长寿命以及抗辐射等特性被广泛应用与雷达、卫星通信等领域。其中宽带行波管作为关键元器件广泛应用于飞机、卫星、导弹等装备中。多模式行波管可以工作在不同电流的模式下，具有在不同工作模式下转换工作状态的优点，实现一管多用，有效适应多种应用场景，可以降低载荷，实现功能集成。

行波管核心部件包括：电子枪、磁聚焦系统、慢波结构和输能窗。其中电子枪发射一个和慢波结构中电磁场传输速度一致的电子注，慢波结构中电磁场与电子注进行能量交换，电子注把部分能量交给了电磁场，电磁场能量被放大，经过输出窗传到负载。电子注与电磁波进行能量交换的过程称为注波互作用，简称互作用。与电磁场能量交换后的电子注进入到收集极中，收集极对电子进行减速，回收互作用后的电子的部分能量。

宽带行波管设计希望在整个频带内的收集极效率尽可能高，多模式行波管希望在多种工作模式下收集极效率尽可能的高，行波管的高效率收集极将有利于降低电源系统的能量供给压力，减少热耗，提高系统可靠性。对于应用到飞机、卫星、导弹等电子设备中的行波管，高效率具有重要价值。

对于行波管的工作频率变化范围(频带)较小时，电子注与不同频率的电磁场信号的互作用差异较小，互作用后的电子的能量分布相近，故对于窄带行波管，可以利用单频点的互作用后电子接口对收集极进行设计，这样设计的收集极可以在窄带行波管整个工作频带之内获得较高效率。但是对于宽带行波管来说，由于工作频率相差很大，互作用后的电子接口状态差异很大，利用单频点下的互作用后电子接口设计的收集极不能保证宽带行波管在整个工作带宽内都具有较好的性能。同理，对于多模式行波管，由于不同模式的电子注电流不同，不同模式下的互作用后电子接口状态同样存在很大差异，设计兼容多个差异较大电子接口的高效率收集极在实际工程中具有很大困难，设计的时间成本很高，器件性能的提高受到限制。

对于互作用后电子注能量分布差异较大的行波管，收集极设计的主要难点在于：使用单一电子接口设计收集极只能保证收集极在单一电子接口下的性能最优，其他电子接口下的收集极性能有可能很差。存在多个电子接口的最佳收集极状态各不相同，难以确定能够兼容多种电子接口的最优的收集极。

现有的宽带行波管和多模式行波管收集极设计主要依靠工程师手动反复优化调试，耗费大量的时间且严重依赖于设计经验；设计师需要在多个电子接口情况下，分别设计收集极到最优，然后在各接口对应的最优收集极之间进行设计参数优化，性能参数折中。这种方法受限于设计者个人经验和水平，无法判断设计的收集极结果是否达到了工程可实现的最优点；设计效率低下，设计难度大，导致设计结果性能不够理想。因此缺乏一种快速高效的设计方法设计高效率的宽带行波管收集极和多模式行波管收集极。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有宽带行波管和多模式行波管中兼容多种电子接口状态的高效率收集极设计的难点。本发明提供了一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法。该方法基于对互作用后多个电子接口的快速分析，计算出理论最优的收集极电压分配、收集极效率和回流。然后参考理论最优电压分配和选择的电子接口对收集极进行结构设计。实现高兼容性收集极的快速设计和收集极性能的提升。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法，包括以下步骤：

步骤1、获取行波管互作用后的k个电子接口能量分布曲线S_i(i＝1,2,...,k)，i为电子接口的编号。

步骤2、给定收集极的级数n，即收集极具有n个电极。

分别对每个电子接口的能量分布曲线S_i(i＝1,2,...,k)进行分析，计算得到：每个电子接口的电子注总功率P_i(i＝1,2,...,k)，每个电子接口的能量分布曲线的拐点电压V_i1(i＝1,2,...,k)，每个电子接口的能量分布曲线的最大电压V_imax(i＝1,2,...,k)，以及每个电子接口的总电流值I_max-i(i＝1,2,...,k)。

步骤3、令：收集极的所有电子接口的能量分布曲线的最小拐点电压为理论最佳第1级电压V₁＝min(V₁₁,V₂₁,V₃₁,...,,V_k1)，V_k1表示第k个电子接口对应的能量分布曲线的拐点电压；

对收集极的n个电极分配电压{V₁,V_t2,...,V_tn}，V₁为常数，下标t代表变量，分配规则：

根据收集极电源电压波动范围，给定收集极电压扫描步长d，50≤d≤60。计算在该步长下的最大值电压取样点：

floor函数为向下取整函数；

其中V_em＝min(V_1max,V_2max,...,V_{k max})为k个电子接口能量分布曲线中最大电压值的最小值，V_{k max}为第k个电子接口的能量分布曲线的最大电压值。

对{V_t2,...,V_tn}在其电压分配范围进行组合遍历扫描，{V_t2,...,V_tn}的变化范围如下所示：

V₁+d≤V_t2≤V_end-(n-2)d；

V₁+2d≤V_t3≤V_end-(n-3)d；

……

V₁+(n-1)d≤V_tn≤V_end

共扫描计算N次，

根据每个电子接口的能量分布曲线在相应的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}处插值计算得到电流值(I_1i,I_2i,...,I_ni)i＝1,2,...,k；i代表电子接口编号，n代表收集极的电极数量。

在对电压扫描的每一次计算中，计算得到每个电子接口的当前电压下理论回收功率

所有电子接口当前电压下的理论收集极效率为：/>

所有电子接口中当前电压下的理论最小收集极效率η_c-min＝min(η_c1,η_c2,...,η_ck)(c＝1,2,...,N)，所有电子接口中当前电压下的理论平均收集极效率/>

记录N次电压扫描的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}，每个电子接口的理论收集极效率η_ci，所有电子接口中的理论最小收集极效率η_c-min和所有电子接口中的理论平均收集极效率η_c-average。

步骤4、依据步骤3所得N次记录的结果，设N次记录的k个电子接口的理论平均收集极效率为a_c＝η_c-average,c＝1,2,...,N，N次记录的k个电子接口中的理论最小收集极效率为b_c＝η_c-min,c＝1,2,...,N。

计算

并取max(M_c)对应的电压分配为收集极理论最佳电压分配方案{U₁＝V₁,U₂,...,U_n}，在此电压分配下，收集极将具有兼容所有给定电子接口的理论最优收集极效率。

步骤5、对总电流不同的电子接口，选取总电流值最大的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流相同的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流不同和总电流相同均存在的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

把步骤4中计算得到的收集极的理论最佳电压值{U₁＝V₁,U₂,...,U_n}分配到收集极各级电极上，对收集极进行结构设计。实际收集极的电压是相对于接地电位的负电压，则收集极电压为理论最佳电压值的负值，然后利用单电子接口设计收集极结构的方法进行设计，至此，收集极结构设计完成。

进一步的，所述步骤5后还包括：采用仿真软件对理论最优收集极电压值的第1级上下浮动100V，其他电极上下浮动50V，优化调整以降低收集极回流。优化后的收集极将兼容所有步骤1中给出的电子接口，收集极的效率较高，回流低。

本发明通过对不同电子注的接口的能量分布曲线进行分析，计算使得多个电子接口的理论平均收集极效率和多个电子接口中的理论最小收集极效率都达到最大值时的理论电压分配值，定义此电压分配值为理论最佳电压分配值。参考理论最佳电压分配值，对收集极结构进行优化。最后可优化出具有兼容多种电子接口的效率较高、回流较小的收集极。本发明实现了多种电子接口下的高效率收集极快速设计，有助于提高宽带型行波管和多模式行波管的收集极性能，进而提高行波管的整体性能。

综上所述，通过本发明设计的收集极结构具有较大的兼容性，能够保证在多种不同电子接口下工作的收集极具有较高的效率。可以指导高兼容性收集极的快速设计，节省大量的收集极设计优化时间，并且有利于提高收集极整体性能，有利于降低行波管的热损耗，有助于提高高效率行波管研制效率和提升器件可靠性。本发明为宽带行波管和多模式行波管以及具有多种不同能量分布的电子接口的行波管提供了提高收集极兼容性的设计思路；有利于提高行波管多种工作状态下的收集极效率和整管的可靠性；对提升宽带行波管和多模式行波管的整管效率具有重要的参考价值。

附图说明

图1为实施例多模式行波管不同总电流下的电子接口能量分布曲线。

图2为实施例多接口下收集极回收功率示意图。

图3为实施例收集极电压扫描计算的理论收集极效率变化。

图4为实施例收集极电压扫描计算的5个电子接口下的理论平均收集极效率变化曲线和最小收集极效率变化曲线。

图5为实施例多目标优化化解为单目标优化示意图。

图6为实施例90mA接口计算结果。

图7为实施例110mA接口计算结果。

图8为实施例130mA接口计算结果。

图9为实施例150mA接口计算结果。

图10为实施例170mA接口计算结果。

具体实施方式

下面结合某多模式行波管的收集极设计对大兼容性收集极设计方法进行详细说明。该多模式行波管的电子注电流变化范围90mA-170mA，工作带宽中心频率5GHz，带宽500M。

一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法，具体步骤如下：

步骤1：获取行波管互作用后的k个电子接口能量分布曲线S_i(i＝1,2,...,k)，i为电子接口的编号。

获取k＝5个行波管互作用后的电子接口，电子接口的能量分布曲线为S_i(i＝1,2,...,k)，i为电子接口的编号。利用行波管仿真软件MTSS计算互作用得到电子注电流分别为90mA、110mA、130mA、150mA、170mA的电子接口，对应的电子接口的能量分布曲线分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，如图1所示。圆形标记曲线为S₁，三角形标记曲线为S₂，五角星标记曲线为S₃，菱形标记曲线为S₄，正方形标记曲线为S₅。

步骤2：给定收集极的级数n，即收集极具有n个电极。

分别对每个电子接口的能量分布曲线S_i(i＝1,2,...,k)进行分析，计算得到：每个电子接口的电子注总功率P_i(i＝1,2,...,k)，每个电子接口的能量分布曲线的拐点电压V_i1(i＝1,2,...,k)，每个电子接口的能量分布曲线的最大电压V_imax(i＝1,2,...,k)，以及每个电子接口的总电流值I_max-i(i＝1,2,...,k)。

综合考虑电源系统载荷和行波管高效率工作要求，给定本算例多模式行波管的收集极的级数为4级。分别对每个电子接口的能量分布曲线S_i(i＝1,2,...,k＝5)进行分析，计算得到每个电子接口的电子注总功率P_i(i＝1,2,...,k＝5)，每个电子接口的能量分布曲线的拐点电压V_i1(i＝1,2,...,k＝5)，每个电子接口的能量分布曲线的最大电压V_imax(i＝1,2,...,k＝5)，每个电子接口的最大电流值I_max-i(i＝1,2,...,k＝5)。

对图1所示的能量分布曲线进行计算，计算结果如表1所示。

表1

步骤3、令：收集极的所有电子接口的能量分布曲线的最小拐点电压为理论最佳第1级电压V₁＝min(V₁₁,V₂₁,V₃₁,...,,V_k1)，V_k1表示第k个电子接口对应的能量分布曲线的拐点电压；选取最小的拐点电压作为第1级的电压可以保证对所有电子接口都没有理论上计算的电子回流。得V₁＝min(V₁₁,V₂₁,V₃₁,...,,V_k1)＝1077V。

对收集极的n个电极分配电压：{V₁,V_t2,...,V_tn}，V₁＝1077V为常数，下标t代表变量。

分配规则：

根据收集极电源电压波动范围，给定收集极电压扫描步长d，50V≤d≤60V，实施例中取d＝60V。计算在该步长下的最大值电压取样点：

floor函数为向下取整函数；

其中V_em＝min(V_1max,V_2max,...,V_kmax)＝3284V为k＝5个电子接口能量分布曲线中最大电压值的最小值，V_{k max}为第k个电子接口的能量分布曲线的最大电压值。

对{V_t2,...,V_tn}(n＝4)在其电压分配范围进行组合遍历扫描计算，{V_t2,...,V_tn}的变化范围如下所示：

(V₁+d)＝1137V≤V_t2≤(V_end-(n-2)d)＝3117V；

(V₁+2d)＝1197V≤V_t3≤(V_end-(n-3)d)＝3177V；

(V₁+3d)＝1257V≤V_t4≤(V_end-(n-4)d)＝3237V

共扫描计算N次，

根据每个电子接口的能量分布曲线在相应的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}处插值计算得到电流值(I_1i,I_2i,...,I_ni)i＝1,2,...,k；i代表电子接口编号，n代表收集极的电极数量。

在对电压扫描的每一次计算中，计算得到每个电子接口的当前电压下理论回收功率

所有电子接口当前电压下的理论收集极效率/>

所有接口中当前电压下的理论最小收集极效率η_c-min＝min(η_c1,η_c2,...,η_ck)(c＝1,2,...,N)，所有电子接口中当前电压下的理论平均收集极效率/>

记录N次电压扫描的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}、η_ci、η_c-min和η_c-average。

如图2所示，在对电压值进行扫描计算的时候，所有电子接口的共用同一组电压，由于每个电子接口的能量分布不同，导致每个电子接口的收集极理论回收功率各不相同。回收功率为图2中在指定电压下的深色面积所示。

如图所示为扫描N次电压计算的5个电子接口的理论收集极效率变化曲线图，横坐标为扫描电压的记录次数，由图可见，改变收集极电压对不同的电子接口计算的收集极回收效率是不同的，对每一个电子接口都存在一个最高理论收集极效率。但是当其中一个电子接口理论最高收集极效率最高时，其他电子接口的效率不一定是最高的。如图4所示为扫描N次电压计算的5个接口的理论平均收集极效率变化曲线和理论最小收集极效率变化曲线。

步骤4：依据步骤3所得N＝7140次记录的结果，设N次记录的k个电子接口的理论平均收集极效率为a_c＝η_c-average,c＝1,2,...,N，N次记录的k个电子接口中的理论最小收集极效率为b_c＝η_c-min,c＝1,2,...,N。

计算

计算并取max(M_c)对应的电压分配为收集极理论最佳电压分配方案：{U₁＝V₁,U₂,...,U₄}；在此电压分配下，收集极将具有兼容所有给定电子接口的理论最优收集极效率。

多个电子接口的理论平均收集极效率和多个电子接口的理论最低收集极效率同时满足最大，既保证了理论收集极效率在多种模式下整体较高，也可以避免个别电子接口出现收集极效率太低情况的出现。这是多目标优化问题，化解为单目标优化问题，如图5所示，定义a_i和b_i同时取得最大值等价为

取得最大值，也就是在a_i和b_i同时存在的可行域中选取一点到原点的距离最远。选取max(M_c)对应的电压分配为最佳电压分配方案：{U₁＝V₁,U₂,...,U₄}，对应的各个电子接口的收集极效率(η₁,η₂,...,η_k)则为兼容各个电子接口的最优收集极效率。

如表2所示为计算得到的收集极理论最佳电压和对应的各电子接口在该电压下的理论计算的收集极效率值。由表可见，在该最佳电压之下，各个电子接口的理论收集极效率都较高，都高于86.7％，所有电子接口的理论计算回流值为0mA。

表2

步骤5：对总电流不同的电子接口，选取总电流值最大的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流相同的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流不同和总电流相同均存在的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

本实施例采用的是多个不同电流的电子接口，故选取总电流值最大的接口：max(I_max-1,I_max-2,...,I_max-k)＝170mA对应的电子接口对收集极进行结构设计。把步骤4中计算得到的收集极的理论最佳电压值{U₁＝1077V,U₂＝1557V,U₃＝2037V,U₄＝2697V}分配到收集极各级电极上，对收集极进行结构设计。实际收集极的电压是相对于接地电位的负电压值：{-U₁,-U₂,-U₃,-U₄}，然后利用单电子接口设计收集极结构的方法进行设计，至此，收集极结构设计完成。

所述步骤5后还包括：采用仿真软件对理论最优收集极电压值的第1级上下浮动100V，其他电极上下浮动50V，优化调整电极电压以降低收集极回流。优化后的收集极相对接地电位的绝对值为{U₁＝1000V,U₂＝1557V,U₃＝2050V,U₄＝2697V}，实际收集极的电压都是相对接地电位的负电压值。优化后的收集极将兼容所有步骤1中给出的电子接口，收集极的效率较高，回流低。

表2

	U1(V)	U2(V)	U3(V)	U4(V)
					I＝90mA效率极大	1269	2169	2409	2949
I＝110mA效率极大	1168	1828	2128	2908
					I＝130mA效率极大	1077	1737	2097	2937
I＝150mA效率极大	1219	1759	2059	2779
					I＝170mA效率极大	1195	1675	2035	2635

如表3所示，每个接口都在各自理论最大收集极效率时对应最佳电压分配，可见在不同的电子接口下，理论最优的收集极电压分配差别很大。

表4

如表4所示，仅参考单一电子接口来设计收集极时，当某一电子接口下收集极理论效率达到最高且没有回流时，带入其他电子接口，收集极并不是最优的性能。例如，I＝90mA电子接口的收集极效率最大时，其他接口的效率大幅降低，如电子接口I＝130mA，理论计算收集极效率为79％，产生理论计算回流为9.09mA，远远超出行波管正常工作要求极限。其他接口情况类似。本发明考虑了多个电子接口下的收集极的综合性能，可以快速计算得到兼容所有接口的唯一的理论最优电压分配。

表5

利用本发明计算的收集极参数理论值和最终仿真的收集极参数对比如表5所示，最终仿真的收集极参数和理论计算的收集极参数存在差别，主要原因是，电子注进入收集极时具有横向速度，再加上电子之间的空间电荷排斥力，电子注会提前发散。以及电子与收集极碰撞产生的二次电子等会产生电子回流。由于上述原因，导致实际收集极产生回流，收集极效率相比于理论最优收集极效率降低。在收集极设计中这是不可避免的。

最终仿真的收集极电压与理论最优电压差别不大，电压的微小改变，降低了电子回流。最终的仿真收集极结果对应5个电子接口的收集极效率都高于72％，回流小于1.02mA。收集极具有较大的兼容性，保证了所有电子接口整体具有较高的性能，且设计快速高效。本实施例的5个电子接口的收集极详细计算结果如图6-图10所示。该收集极在所有电子接口下的性能都表现良好，验证了本发明方法的有效性和可靠性。

综上可见，本发明提出的大兼容性高效率收集极的设计方法，相比于单一接口设计优化的收集极具有明显优势：收集极可在多个差异较大的电子接口下都可获得较高的性能，且设计方法快速高效。本发明可以指导收集极入口电子接口状态差异大的行波管高效率收集极的快速设计，有利于节省大量的收集极优化时间，并且有利于提高收集极整体性能，有利于降低系统整体的热损耗，有助于提高研制效率和提升器件可靠性。

Claims (2)

1.一种宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取行波管互作用后的k个电子接口能量分布曲线S_i，i＝1,2,...,k，i为电子接口的编号；

步骤2、给定收集极的级数n，即收集极具有n个电极；分别对每个电子接口的能量分布曲线S_i，i＝1,2,...,k，进行分析，计算得到：每个电子接口的电子注总功率P_i，i＝1,2,...,k，每个电子接口的能量分布曲线的拐点电压V_i1，i＝1,2,...,k，每个电子接口的能量分布曲线的最大电压V_imax，i＝1,2,...,k，以及每个电子接口的总电流值I_max-i，i＝1,2,...,k；

步骤3、令：收集极的所有电子接口的能量分布曲线的最小拐点电压为理论最佳第1级电压V₁＝min(V₁₁,V₂₁,V₃₁,...,,V_k1)，V_k1表示第k个电子接口对应的能量分布曲线的拐点电压；

对收集极的n个电极分配电压{V₁,V_t2,...,V_tn}，V₁为常数，下标t代表变量，分配规则：

根据收集极电源电压波动范围，给定收集极电压扫描步长d，50≤d≤60，单位为V伏；计算在该步长下的最大值电压取样点：

floor函数为向下取整函数；

其中V_em＝min(V_1max,V_2max,...,V_kmax)为k个电子接口能量分布曲线中最大电压值的最小值，V_kmax为第k个电子接口的能量分布曲线的最大电压值；

对{V_t2,...,V_tn}在其电压分配范围进行组合遍历扫描，{V_t2,...,V_tn}的变化范围如下所示：

V₁+d≤V_t2≤V_end-(n-2)d；

V₁+2d≤V_t3≤V_end-(n-3)d；

……

V₁+(n-1)d≤V_tn≤V_end；

共扫描计算N次，

根据每个电子接口的能量分布曲线在相应的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}处插值计算得到电流值(I_1i,I_2i,...,I_ni)i＝1,2,...,k；i代表电子接口编号，n代表收集极的电极数量；

在对电压扫描的每一次计算中，计算得到每个电子接口的当前电压下理论回收功率

所有电子接口当前电压下的理论收集极效率/>

所有接口中当前电压下的理论最小收集极效率η_c-min＝min(η_c1,η_c2,...,η_ck)，c＝1,2,...,N，所有电子接口中当前电压下的理论平均收集极效率/>

记录N次电压扫描的电压值{V₁,V_t2,...,V_tn}，η_ci，η_c-min和η_c-average；

步骤4、依据步骤3所得N次记录的结果，设N次记录的k个电子接口的理论平均收集极效率为a_c＝η_c-average,c＝1,2,...,N，N次记录的k个电子接口中的理论最小收集极效率为b_c＝η_c-min,c＝1,2,...,N；

计算

并取max(M_c)对应的电压分配为收集极理论最佳电压分配方案{U₁＝V₁,U₂,...,U_n}，在此电压分配下，收集极将具有兼容所有给定电子接口的理论最优收集极效率；

步骤5、对总电流不同的电子接口，选取总电流值最大的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流相同的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

对总电流不同和总电流相同均存在的电子接口，选取能量分布曲线拐点电压值最小的电子接口来进行收集极的结构设计；

把步骤4中计算得到的收集极的理论最佳电压值{U₁＝V₁,U₂,...,U_n}分配到收集极各级电极上，对收集极进行结构设计；实际收集极的电压是相对于接地电位的负电压，则收集极电压为理论最佳电压值的负电位。

2.如权利要求1所述宽频带行波管和多模式行波管的高效率收集极设计方法，其特征在于：

所述步骤5后还包括：采用仿真软件对理论最优收集极电压值的第1级上下浮动100V，其他电极上下浮动50V，优化调整以降低收集极回流。

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