CN115020974B - 低剖面三模宽带椭圆贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,包括介质基板和接地金属板,介质基板的底面设有接地金属板,还包括半椭圆形金属贴片、若干金属圆柱通孔、射频连接器、圆环形容性槽、第一枝节和第二枝节,介质基板的顶面设有半椭圆形金属贴片,半椭圆形金属贴片的中部设有用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个模式耦合的椭圆形槽,椭圆形槽的内侧间隔对称设置第一枝节和第二枝节,金属圆柱通孔和圆环形容性槽分别设于椭圆形槽的两侧,金属圆柱通孔贯穿介质基板并将半椭圆形金属贴片和接地金属板相连,圆环形容性槽的中部设有射频连接器;本发明与现有技术相比,其带宽很宽,通带内增益很稳定,剖面较低,在室内无线通信、移动通信以及车载通信中有广泛的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,属于贴片天线技术领域。
背景技术
微带贴片天线相关的研究广受关注,但是其发展也受限于诸多缺陷。例如,线极化微带天线作为一种高Q值的谐振天线,频带宽度较窄,由于最容易受频率影响的就是阻抗,所以为改善这一不足,可以通过多模谐振技术来拉近多个谐振频点完成耦合,提升天线的阻抗带宽,继而完成频带宽度的提升。
但是,传统的三模矩形贴片天线结构复杂,带宽较窄,为了实现大带宽导致的剖面厚度较大,实现多模耦合时通带内增益波动较大。
上述问题是在贴片天线的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线解决现有技术中存在的天线结构复杂、剖面厚度较大、带宽较窄、多模耦合时通带内增益波动较大的问题。
本发明的技术解决方案是:
一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,包括介质基板和接地金属板,介质基板的底面设有接地金属板,包括半椭圆形金属贴片、若干金属圆柱通孔、射频连接器、圆环形容性槽、第一枝节和第二枝节,介质基板的顶面设有半椭圆形金属贴片,半椭圆形金属贴片的中部设有用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个模式耦合的椭圆形槽,椭圆形槽的内侧间隔对称设置第一枝节和第二枝节,半椭圆形金属贴片分别设有金属圆柱通孔和圆环形容性槽,且金属圆柱通孔和圆环形容性槽分别设于椭圆形槽的两侧,金属圆柱通孔成排设于半椭圆形金属贴片的直边侧,金属圆柱通孔贯穿介质基板并将半椭圆形金属贴片和接地金属板相连,圆环形容性槽的中部设有射频连接器,射频连接器穿过介质基板,且射频连接器的两端分别连接半椭圆形金属贴片和接地金属板。
进一步地,椭圆形槽加载在半椭圆形金属贴片eTM12模式电场峰值点即磁壁处、半椭圆形金属贴片eTM51模式和eTM32模式电场零值点即电壁处。
进一步地,第一枝节、第二枝节用于提升辐射通带内eTM12模式增益,第一枝节、第二枝节设于椭圆形槽的长轴的同一侧且以椭圆形槽的短轴对称设置,第一枝节、第二枝节加载在eTM12模式电场峰值点即磁壁处、eTM51模式电场较弱处即电场强度小于设定值以及eTM32模式电场零值点即电壁处。
进一步地,第一枝节、第二枝节的长度均为L=0.069λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长。
进一步地,金属圆柱通孔的直径为0.8mm,相邻金属圆柱通孔的间距为0.1mm。
进一步地,半椭圆形金属贴片的半长轴长度a=0.578λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长;半椭圆形金属贴片的离心率e=0.6887。
进一步地,椭圆形槽短轴长度W1:W1=0.193λ0,椭圆形槽长轴长度为L1:L1=0.527λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长。
进一步地,介质基板和接地金属板、半椭圆形金属贴片共同构成天线整体长宽高尺寸为0.868λ0×1.157λ0×0.052λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长;介质基板的材料为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B,相对介电常数为εr=3.55,损耗角正切值为tanδ=0.002,厚度h=0.052λ0。
进一步地,椭圆形槽用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个椭圆贴片模式的耦合,具体为,通过电磁仿真软件得到eTM12、eTM51和eTM32三个模式的电场分布图,按照电场分布图情况完成椭圆形槽的加载:在与半椭圆形金属贴片的长轴重合的位置固定椭圆形槽的短轴,通过不断增加椭圆形槽的长轴长度,依次完成eTM51、eTM32模式电长度的增加和eTM12模式电长度的减小,eTM51、eTM32两个模式电长度的增加则其频点开始往低频移动,eTM12模式频点往高频移动,椭圆形槽的长轴长度增加至0.5λ0-0.54λ0范围时,停止增加,最终完成eTM51、eTM12和eTM32三个模式的顺序分布,完成三个模式耦合。
本发明的有益效果是:
一、该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,能够完成半椭圆形金属贴片天线的三个辐射模式eTM12、eTM51和eTM32的耦合,实现增强型阻抗带宽,与现有技术相比,其带宽很宽,通带内增益很稳定,剖面较低,具有结构简单、易于加工以及成本较低等优点,在室内无线通信、移动通信以及车载通信中有广泛地应用场景。
二、本发明中,半椭圆形金属贴片是天线参与辐射的主体部分,贴片天线采用同轴单馈的形式,同时在半椭圆形金属贴片的表面馈电位置处加载有圆环形容性槽,能够抵消射频连接器和金属圆柱通孔引入的寄生电感用以完成天线整体的阻抗匹配,实现阻抗带宽展宽。
三、该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,通过引入椭圆形槽,能够同时完成三个椭圆贴片模式eTM12、eTM51和eTM32的耦合,可以有效地拓展椭圆贴片天线的阻抗带宽,并通过引入第一枝节和第二枝节,能够提升eTM12模式所在频段的增益大小,保持通带内增益稳定。
附图说明
图1是本发明实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的结构示意图;
图2是图1的A-A向的剖面结构示意图;
图3是实施例中低剖面三模宽带椭圆贴片天线的底面结构示意图;
图4是实施例中电磁仿真软件得到半椭圆形金属贴片的eTM12、eTM51和eTM32三个模式的电场分布示意图,其中,(a)为eTM51模式的电场分布示意图,(b)为eTM12模式的电场分布示意图,(c)为eTM32模式的电场分布示意图;
图5是实施例中低剖面三模宽带椭圆贴片天线的实物参考示意图;
图6是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测反射系数频率响应曲线示意图;
图7是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测增益频响曲线示意图;
图8是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测辐射方向图,其中,(a)是模式频点5.33GHz处E面的仿真辐射方向图,(b)是模式频点5.33GHz处H面的仿真辐射方向图,(c)是模式频点5.33GHz处E面的实测辐射方向图,(d)是模式频点5.33GHz处H面的实测辐射方向图,(e)是模式频点5.68GHz处E面的仿真辐射方向图,(f)是模式频点5.68GHz处H面的仿真辐射方向图,(g)是模式频点5.68GHz处E面的实测辐射方向图,(h)是模式频点5.33GHz处H面的实测辐射方向图,(i)是模式频点6.3GHz处E面的仿真辐射方向图,(j)是模式频点6.3GHz处H面的仿真辐射方向图,(k)是模式频点6.3GHz处E面的实测辐射方向图,(l)是模式频点6.3GHz处H面的实测辐射方向图;
其中:1-介质基板,2-接地金属板,3-半椭圆形金属贴片,4-金属圆柱通孔,5-射频连接器,6-圆环形容性槽,7-第一枝节,8-第二枝节,9-椭圆形槽。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,如图1和图3,包括介质基板1和接地金属板2,介质基板1的底面设有接地金属板2,还包括半椭圆形金属贴片3、若干金属圆柱通孔4、射频连接器5、圆环形容性槽6、第一枝节7和第二枝节8,介质基板1的顶面设有半椭圆形金属贴片3,半椭圆形金属贴片3的中部设有用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个模式耦合的椭圆形槽9,椭圆形槽9的内侧间隔对称设置第一枝节7和第二枝节8,半椭圆形金属贴片3分别设有金属圆柱通孔4和圆环形容性槽6,且金属圆柱通孔4和圆环形容性槽6分别设于椭圆形槽9的两侧,金属圆柱通孔4成排设于半椭圆形金属贴片3的直边侧,金属圆柱通孔4贯穿介质基板1并将半椭圆形金属贴片3和接地金属板2相连,圆环形容性槽6的中部设有射频连接器5,射频连接器5穿过介质基板,且射频连接器5的两端分别连接半椭圆形金属贴片和接地金属板2。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,通过引入椭圆形槽9,能够完成半椭圆形金属贴片3天线的三个辐射模式eTM12、eTM51和eTM32的耦合,实现增强型阻抗带宽,与现有技术相比,其带宽很宽,通带内增益很稳定,剖面较低,具有结构简单、易于加工以及成本较低等优点,在室内无线通信、移动通信以及车载通信中有广泛地应用场景。
如图1,椭圆形槽9加载在半椭圆形金属贴片eTM12模式电场峰值点即磁壁处、半椭圆形金属贴片eTM51模式和eTM32模式电场零值点即电壁处,这样可以最大限度地增加eTM51和eTM32两个模式的电长度,与此同时可以最大限度地降低eTM12模式的电长度。第一枝节7、第二枝节8用于提升辐射通带内eTM12模式增益,第一枝节7、第二枝节8设于椭圆形槽9的长轴的同一侧且以椭圆形槽9的短轴对称设置,第一枝节7、第二枝节8加载在eTM12模式电场峰值点即磁壁处、eTM51模式电场较弱处即电场强度小于设定值或接近0以及eTM32模式电场零值点即电壁处,这样可以极大地增加eTM12模式椭圆形槽9的右侧磁壁位置的等效磁流元强度,同时降低左侧磁壁的等效磁流元强度,此时贴片用于辐射的磁流元强度将显著提升,从而提升通带内增益大小。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线的一个具体示例如下:半椭圆形金属贴片3的半长轴长度a=0.578λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长;半椭圆形金属贴片3的离心率e=0.6887,当离心率为0时,将退化为圆贴片天线,从而不但兼并圆贴片的全部特点,而且相较于圆贴片天线拥有将近两倍的模式数量,从而为贴片天线多模应用提供更多可能性。椭圆形槽9短轴长度W1:W1=0.193λ0,椭圆形槽9长轴长度为L1:L1=0.527λ0。第一枝节7、第二枝节8的长度均为L=0.069λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长。金属圆柱通孔4的直径为0.8mm,相邻金属圆柱通孔4的间距为0.1mm。介质基板1和接地金属板2、半椭圆形金属贴片3共同构成天线整体长宽高尺寸为0.868λ0×1.157λ0×0.052λ0。介质基板1的材料为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B,相对介电常数为εr=3.55,损耗角正切值为tanδ=0.002,厚度h=0.052λ0。
如图4和图5,该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,能够完成半椭圆形金属贴片3天线的三个辐射模式eTM12、eTM51和eTM32的耦合,实现增强型阻抗带宽。在eTM51、eTM32模式电场零值点位置(电壁)处、eTM12模式电场峰值处(磁壁)处加载一个椭圆形槽9。可通过电磁仿真软件得到三个模式的电场分布图,按照电场分布图情况完成椭圆形槽9的加载,具体为,在与半椭圆形金属贴片3的长轴重合的位置固定椭圆形槽9,通过不断增加椭圆形槽9的长轴长度,依次完成eTM51、eTM32模式电长度的增加和eTM12模式电长度的减小,eTM51、eTM32两个模式电长度的增加则其频点开始往低频移动,eTM12模式频点往高频移动,椭圆形槽9的长轴长度增加至0.5λ0-0.54λ0范围时,停止增加,最终完成eTM51、eTM12和eTM32三个模式的顺序分布,三个模式相距较近,例如,增加至0.53λ0时,三个模式频率之比达到1:1.1:1.2(5.33GHz:5.87GHz:6.46GHz)左右,完成三个模式耦合。
如图1和图4,该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,能够实现阻抗带宽内增益的稳定,在椭圆形槽9右侧磁壁边界上下对称加载一对枝节:第一枝节7和第二枝节8。由于椭圆形槽9的开槽位置处于eTM12模式的电场峰值处,eTM12模式的椭圆形槽9左右等效磁流元反相,导致增益大大减小并出现辐射零点,为了提升用于辐射的等效磁流元的大小,确定在椭圆形槽9右侧加载第一枝节7和第二枝节8。由于第一枝节7和第二枝节8对于eTM51、eTM32模式的电长度有一定程度的影响,为了最大限度地降低这种影响,需要确定第一枝节7和第二枝节8的具体位置,通过电磁仿真软件仿真得到三个模式此时的电场分布图如图4,图4中,两条虚线分别为eTM51、eTM12和eTM32模式椭圆形槽的侧部第一枝节7、第二枝节8加载位置,最左侧颜色条由底部向上电场递增,最底部颜色为电壁电场较弱或者为0,最顶部颜色是磁壁电场较强。确定第一枝节7、第二枝节8加载位置选择在eTM32模式在椭圆形槽9右侧上的电场零值点处,与此同时,eTM32模式的电场零值点处对于eTM51模式来说为其电场较弱位置,对于eTM12模式来说为其电场较强处且接近峰值,因此可以较大地增加eTM12模式电长度,同时也保持eTM51、eTM32模式电长度基本不变,有效地提升椭圆槽右侧等效磁流元的大小,此时eTM12模式对应频段的增益大小大大地增加。
如图2,该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,整体剖面结构为三层:上层为半椭圆形金属贴片3、中间层为介质基板1、下层为接地金属板2,整体能够达到仅2.7mm厚度。上层的半椭圆形金属贴片3是天线参与辐射的主体部分,半椭圆形金属贴片3设有椭圆形槽9、圆环形槽以及椭圆形槽9右侧磁边界上下对称加载的第一枝节7、第二枝节8,并沿着半椭圆形金属贴片3的直边设置若干金属圆柱通孔4构成短路壁,能够实现小型化,通过引入短路壁可削减贴片大小。贴片天线采用同轴单馈的形式,可以降低馈电网络复杂程度。在半椭圆形金属贴片3的表面馈电位置处加载有圆环形容性槽6,能够消除射频连接器5的馈电探针和金属圆柱通孔4引入的寄生电感,用以完成天线整体的阻抗匹配,实现阻抗带宽展宽。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,三个辐射模式eTM12、eTM51和eTM32,说明如下:圆贴片天线的模式一般为TMmn,其中m为径向波数,n为角向波数。椭圆贴片天线的模式相较于圆贴片略有区别,分为两种,即eTMmn和oTMmn,这是由于将圆贴片一条直径作为长轴,另一条与之垂直的直径作为短轴,增大其离心率,圆变为椭圆,由于长轴比短轴长,原始圆贴片天线的模式TMmn将分化为eTMmn和oTMmn两种模式,且两种模式相互垂直,其中左下角的e为“even”,即为椭圆贴片天线径向和角向马丢偶函数的解所得模式类型,其中左下角的o为“odd”,即为椭圆贴片天线径向和角向马丢奇函数的解所得模式类型。圆贴片内场径向函数为贝塞尔函数只有一种类型的解,因此左下角没有e或者o的下标,因此eTM12、eTM51和eTM31模式为椭圆贴片天线的三个模式。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,通过引入一个椭圆形槽9同时完成三个椭圆贴片模式eTM12、eTM51和eTM32的耦合,可以有效地拓展椭圆贴片天线的阻抗带宽,通过引入两个枝节提升eTM12模式所在频段的增益大小,保持通带内增益稳定。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,通过采用半椭圆形金属贴片3,使用连排分布的金属圆柱通孔4构成的短路壁与同轴单馈电组合的方式,代替完整贴片与同轴差分双馈电的组合,能够实现天线的小型化、降低馈电网络的复杂程度。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,通过在eTM12磁壁、eTM51和eTM32电壁位置加载椭圆形槽9,可以极大减少eTM12模式电流的路径长度(或电长度),极大阻碍eTM51和eTM32模式的电流流动继而极大增大了其电流路径长度(或电长度),根据电长度与模式谐振频率关系:电长度越长谐振频率越低、电长度越短谐振频率越高特点。能够使三个模式按照eTM51、eTM12、eTM32模式顺序分布,达到1:1.1:1.2频比完成耦合。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,由于椭圆形槽9加载在eTM12模式磁壁位置,对于eTM12模式来说不利于辐射,因此为了提升通带内eTM12模式所在频段的增益大小,则在椭圆形槽9右侧椭圆弧段eTM12模式电场峰值处、eTM51模式电壁附近电场较弱处,eTM32模式电壁即电场零值点处加载两个对称枝节,用于提升eTM12模式所在频段的增益大小。通过开圆环形容性槽6完成天线的阻抗匹配,实现三模宽频带。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,与现有技术相比,尺寸紧凑,同时具有低剖面、结构简单、超宽频带以及阻抗带宽内的增益稳定等优点,十分适合实际通信应用。
实施例的该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线进行实验仿真和实测如下:
图6是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测的回波损耗频响特性曲线示意图。由图6可以看到,电磁仿真频率曲线和实测曲线基本吻合,且在阻抗带宽内有三个频点模式频点,其中仿真的相对带宽为19.7%(5.23GHz-6.37GHz),实测的相对带宽为20.57%(5.19GHz-6.38GHz),实验结果验证了该设计具有超宽带的阻抗带宽特性。
图7是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测增益频响曲线示意图。由图5可以看到,电磁仿真频率曲线与实测曲线较为吻合,由于印刷加工、焊接以及测试过程中存在误差,其中eTM51模式频点5.33GHz实测增益大小为4.48dBi,eTM12模式频点5.68GHz实测增益大小为6.45dBi,eTM32模式频点6.3GHz实测增益大小为6.82dBi,电磁仿真所得三个模式频点的增益分别为5.05dBi、7.29dBi和7.86dBi,实际增益大小相较于仿真增益略小,相差不大,整个辐射通带内增益较为稳定,极大值极小值之间相差不超过3dBi,比传统三模矩形贴片天线拥有更稳定的通带增益。
图8是实施例低剖面三模宽带椭圆贴片天线的仿真与实测辐射方向示意图。由图8中(a)-(f)可以看到,三个模式频点(5.33GHz、5.68GHz和6.3GHz)处的仿真和实测方向图对比,可以发现三个模式频点处均表现为宽边辐射特性,而且均表现为单个波束,交叉极化电平较小。
该种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,在阻抗带宽内有三个模式频点,带宽达到20.57%,可以很好地应用在宽带通信系统中。而且天线具有尺寸较小、结构简单、加工方便而且成本较低等特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他任何违背本发明的精神实质与原理作用下的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低剖面三模宽带椭圆贴片天线,包括介质基板和接地金属板,介质基板的底面设有接地金属板,其特征在于:还包括半椭圆形金属贴片、若干金属圆柱通孔、射频连接器、圆环形容性槽、第一枝节和第二枝节,介质基板的顶面设有半椭圆形金属贴片,半椭圆形金属贴片的中部设有用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个模式耦合的椭圆形槽,椭圆形槽的内侧间隔对称设置第一枝节和第二枝节,半椭圆形金属贴片分别设有金属圆柱通孔和圆环形容性槽,且金属圆柱通孔和圆环形容性槽分别设于椭圆形槽的两侧,金属圆柱通孔成排设于半椭圆形金属贴片的直边侧,金属圆柱通孔贯穿介质基板并将半椭圆形金属贴片和接地金属板相连,圆环形容性槽的中部设有射频连接器,射频连接器穿过介质基板,且射频连接器的两端分别连接半椭圆形金属贴片和接地金属板。
2.如权利要求1所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:椭圆形槽加载在半椭圆形金属贴片eTM12模式电场峰值点即磁壁处、半椭圆形金属贴片eTM51模式和eTM32模式电场零值点即电壁处。
3.如权利要求1所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:第一枝节、第二枝节用于提升辐射通带内eTM12模式增益,第一枝节、第二枝节设于椭圆形槽的长轴的同一侧且以椭圆形槽的短轴对称设置,第一枝节、第二枝节加载在eTM12模式电场峰值点即磁壁处、eTM51模式电场较弱处即电场强度小于设定值以及eTM32模式电场零值点即电壁处。
4.如权利要求3所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:第一枝节、第二枝节的长度均为L=0.069λ0其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长。
5.如权利要求1-4任一项所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:金属圆柱通孔的直径为0.8mm,相邻金属圆柱通孔的间距为0.1mm。
6.如权利要求1-4任一项所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:半椭圆形金属贴片的半长轴长度a=0.578λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长;半椭圆形金属贴片的离心率e=0.6887。
7.如权利要求1-4任一项所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:椭圆形槽短轴长度W1:W1=0.193λ0,椭圆形槽长轴长度为L1:L1=0.527λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长。
8.如权利要求1-4任一项所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:介质基板和接地金属板、半椭圆形金属贴片共同构成天线整体长宽高尺寸为0.868λ0×1.157λ0×0.052λ0,其中,λ0为天线工作的中心频率对应波长;介质基板的材料为聚四氟乙烯玻璃布覆铜箔板F4B,相对介电常数为εr=3.55,损耗角正切值为tanδ=0.002,厚度h=0.052λ0。
9.如权利要求2-4任一项所述的低剖面三模宽带椭圆贴片天线,其特征在于:椭圆形槽用于实现eTM12、eTM51和eTM32三个椭圆贴片模式的耦合,具体为,通过电磁仿真软件得到eTM12、eTM51和eTM32三个模式的电场分布图,按照电场分布图情况完成椭圆形槽的加载:在与半椭圆形金属贴片的长轴重合的位置固定椭圆形槽的短轴,通过不断增加椭圆形槽的长轴长度,依次完成eTM51、eTM32模式电长度的增加和eTM12模式电长度的减小,eTM51、eTM32两个模式电长度的增加则其频点开始往低频移动,eTM12模式频点往高频移动,椭圆形槽的长轴长度增加至0.5λ0-0.54λ0范围时,停止增加,最终完成eTM51、eTM12和eTM32三个模式的顺序分布,完成三个模式耦合。
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