CN115275601A - 高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法 - Google Patents

高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法 Download PDF

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CN115275601A CN202210851994.2A CN202210851994A CN115275601A CN 115275601 A CN115275601 A CN 115275601A CN 202210851994 A CN202210851994 A CN 202210851994A CN 115275601 A CN115275601 A CN 115275601A
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卢煜旻
朱欣恩
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Abstract

本发明公开了高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法，高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法包括步骤S1：在信号发射时，信号由发射端输入，进而在与发射端连接的发射端环形器产生等幅相反的第一路信号和第二路信号。本发明公开的高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法，其通过发射端环形器、接收端环形器、第一混合耦合器、第二混合耦合器、第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进一步实现宽带宽以及高隔离度，在信号发射时，不受天线端阻抗匹配情况影响，由于天线的反射以及混合耦合器的泄露会在接收端相互抵消。

Description

高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法
技术领域
本发明属于雷达发射机技术领域，具体涉及一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器和一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，毫米波短距离雷达在众多领域得到广泛应用，例如：自动传感器，医学以及自动驾驶等领域。其中连续波雷达，特别是线性调频雷达和多普勒雷达，因其自身结构简单，成本低等优点，广泛应用于科学、工业和医学领域。
线性调频雷达和多普勒雷达主要由发射机、发射天线、接收天线和接收机构成，为了减少产品的尺寸、成本，单天线雷达应运而生，但是发射机和接收机工作的频率一致，所以双工器无法使用，进而导致发射机与接收机之间的泄露称为影响接收机灵敏度的重要限制因素。
抑制发射机泄露的传统方法主要是通过使用90°混合耦合器、环形器和微带耦合器，以及这些器件的组合，在匹配好的情况下，隔离度相对较高。但实际应用中由于天线端的匹配无法做到宽带宽内的非常好的匹配，导致了隔离度的恶化，这些商用的器件的隔离度一般在25dB左右。
因此，针对上述问题，予以进一步改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法，其通过发射端环形器、接收端环形器、第一混合耦合器、第二混合耦合器、第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进一步实现宽带宽以及高隔离度，在信号发射时，不受天线端阻抗匹配情况影响，由于天线的反射以及混合耦合器(发射机)的泄露会在接收端相互抵消，只要两路对称，隔离度就会非常稳定。
本发明的另一目的在于提供高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法，在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过与之连接的混合耦合器传输到接收端环形器，由于两路信号同相，在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
为达到以上目的，本发明提供一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，包括以下步骤：
步骤S1：在信号发射时，信号由发射端输入，进而在与发射端连接的发射端环形器产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
步骤S2：第一路信号输入第一混合耦合器，以使得第一混合耦合器产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第二端；
步骤S3(与步骤S2并列)：第二路信号输入第二混合耦合器，以使得第二混合耦合器产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第二端；
步骤S4：由于发射端环形器，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
步骤S5(与步骤S4同步)：第一混合耦合器泄露产生的第一泄露信号和第二混合耦合器泄露产生的第二泄露信号分别输入接收端环形器，以使得第一泄露信号和第二泄露信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消，并且第一双端馈电微带天线(由于不匹配)产生的第一反射信号和第二双端馈电微带天线(由于不匹配)产生的第二反射信号分别也输入接收端环形器，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，发射端环形器和所述接收端环形器均为180°环形器，第一混合耦合器和所述第二混合耦合器均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在步骤S5中，第一混合耦合器与第一双端馈电微带天线组成的电路和第二混合耦合器与第二双端馈电微带天线组成的电路相互对称，以使得第一反射信号和第二反射信号虽然随着阻抗(双端馈电微带天线和阻抗变化器整体阻抗的变化)的变化而变化，但是最终均会在接收端进行相互对消。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S5之后还包括：
步骤S6：在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器和第二混合耦合器传输到接收端环形器(此时发射端进行关闭)，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
为达到以上目的，本发明还提供一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器，包括发射端环形器、接收端环形器、第一混合耦合器、第二混合耦合器、第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线，其中：
在信号发射时，信号由发射端输入，以使得与发射端连接的发射端环形器产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
第一路信号输入第一混合耦合器，以使得第一混合耦合器产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第二端；
第二路信号输入第二混合耦合器，以使得第二混合耦合器产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第二端；
由于发射端环形器，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
第一混合耦合器泄露产生的第一反射信号和第二混合耦合器泄露产生的第二反射信号分别输入接收端环形器，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，发射端环形器和所述接收端环形器均为180°环形器，第一混合耦合器和所述第二混合耦合器均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器和第二混合耦合器传输到接收端环形器(此时发射端进行关闭)，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
附图说明
图1是本发明的高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器及对消方法的结构示意图。
附图标记包括：1、发射端；2、接收端；3、发射端环形器；4、接收端环形器；5、第一混合耦合器；6、第二混合耦合器；7、第一双端馈电微带天线；8、第二双端馈电微带天线；9、第一阻抗变化器；10、第二阻抗变化器；11、第三阻抗变化器；12、第四阻抗变化器；13、第一负载；14、第二负载。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的雷达、发射端和接收端等可被视为现有技术。
优选实施例。
本发明公开了一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，包括以下步骤：
步骤S1：在信号发射时，信号由发射端1输入，进而在与发射端1连接的发射端环形器3产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
步骤S2：第一路信号输入第一混合耦合器5，以使得第一混合耦合器5产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器9输入第一双端馈电微带天线7的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器10输入第一双端馈电微带天线7的第二端；
步骤S3(与步骤S2并列)：第二路信号输入第二混合耦合器6，以使得第二混合耦合器6产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器11输入第二双端馈电微带天线8的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器12输入第二双端馈电微带天线8的第二端；
步骤S4：由于发射端环形器3，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线7和第二双端馈电微带天线8形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
步骤S5(与步骤S4同步)：第一混合耦合器5泄露产生的第一泄露信号和第二混合耦合器6泄露产生的第二泄露信号分别输入接收端环形器4，以使得第一泄露信号和第二泄露信号在与接收端环形器4连接的接收端5进行对消，并且第一双端馈电微带天线7(由于不匹配)产生的第一反射信号和第二双端馈电微带天线8(由于不匹配)产生的第二反射信号分别也输入接收端环形器4，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器4连接的接收端2进行对消。
具体的是，发射端环形器3和所述接收端环形器4均为180°环形器，第一混合耦合器5和所述第二混合耦合器6均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
更具体的是，在步骤S5中，第一混合耦合器5与第一双端馈电微带天线7组成的电路和第二混合耦合器6与第二双端馈电微带天线8组成的电路相互对称，以使得第一反射信号和第二反射信号虽然随着阻抗(双端馈电微带天线和阻抗变化器整体阻抗的变化)的变化而变化，但是最终均会在接收端进行相互对消。
值得一提的是，阻抗变化是指整体的天线的输入阻抗，即阻抗变换器+双端馈电微带天线天线，两者一起的阻抗，第一或第二混合耦合器的两端与双端馈电微带天线的两端相互连接，是为了实现圆极化。对消是指第一双端馈电微带天线反射的信号与第二双端馈电微带天线的反射信号，由于第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线以及传输路径一致，加上接收端环形器附加的反相效果，最终实现在接收端进行抵消。耦合器的泄露信号也是一样，接收端环形器给一个反相效果，加上路径一致，实现对消。
进一步的是，步骤S5之后还包括：
步骤S6：在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线7和第二双端馈电微带天线8进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器5和第二混合耦合器6传输到接收端环形器4(此时发射端进行关闭)，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
本发明还公开了一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器，包括发射端环形器3、接收端环形器4、第一混合耦合器5、第二混合耦合器6、第一双端馈电微带天线7和第二双端馈电微带天线8，其中：
在信号发发射时，信号由发射端1输入，以使得与发射端1连接的发射端环形器3产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
第一路信号输入第一混合耦合器5，以使得第一混合耦合器5产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器9输入第一双端馈电微带天线7的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器10输入第一双端馈电微带天线7的第二端；
第二路信号输入第二混合耦合器6，以使得第二混合耦合器6产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器11输入第二双端馈电微带天线8的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器12输入第二双端馈电微带天线8的第二端；
由于发射端环形器3，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线7和第二双端馈电微带天线8形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
第一混合耦合器5泄露产生的第一反射信号和第二混合耦合器6泄露产生的第二反射信号分别输入接收端环形器4，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器4连接的接收端2进行对消。
具体的是，发射端环形器3和所述接收端环形器4均为180°环形器，第一混合耦合器5和所述第二混合耦合器6均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
更具体的是，第一混合耦合器5与第一双端馈电微带天线7组成的电路和第二混合耦合器6与第二双端馈电微带天线8组成的电路相互对称，以使得第一反射信号和第二反射信号虽然随着阻抗(双端馈电微带天线和阻抗变化器整体阻抗的变化)的变化而变化，但是最终均会在接收端进行相互对消。
值得一提的是，阻抗变化是指整体的天线的输入阻抗，即阻抗变换器+双端馈电微带天线天线，两者一起的阻抗，第一或第二混合耦合器的两端与双端馈电微带天线的两端相互连接，是为了实现圆极化。对消是指第一双端馈电微带天线反射的信号与第二双端馈电微带天线的反射信号，由于第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线以及传输路径一致，加上接收端环形器附加的反相效果，最终实现在接收端进行抵消。耦合器的泄露信号也是一样，接收端环形器给一个反相效果，加上路径一致，实现对消。
更具体的是，在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线7和第二双端馈电微带天线8进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器5和第二混合耦合器6传输到接收端环形器4(此时发射端进行关闭)，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
优选地，所述发射端环形器3的第一端连接发射端1并且所述发射端1用于输入信号，所述接收端环形器4的第一端连接接收端2并且所述接收端2用于接收信号；
所述发射端环形器3的第二端与所述第一混合耦合器5的第一端电性连接并且所述接收端环形器4的第二端与所述第一混合耦合器5的第二端电性连接，所述第一混合耦合器5的第三端与所述第一双端馈电微带天线7的第一端电性连接并且所述第一混合耦合器5的第四端与所述第一双端馈电微带天线7的第二端电性连接；
所述发射端环形器3的第三端与所述第二混合耦合器6的第一端电性连接并且所述接收端环形器4的第三端与所述第二混合耦合器6的第二端电性连接，所述第二混合耦合器6的第三端与所述第二双端馈电微带天线8的第一端电性连接并且所述第二混合耦合器6的第四端与所述第二双端馈电微带天线8的第二端电性连接。
具体的是，所述第一混合耦合器5的第三端通过第一阻抗变化器9与所述第一双端馈电微带天线7的第一端电性连接并且所述第一混合耦合器8的第四端通过第二阻抗变化器8与所述第一双端馈电微带天线7的第二端电性连接。
更具体的是，所述第二混合耦合器6的第三端通过第三阻抗变化器11与所述第二双端馈电微带天线8的第一端电性连接并且所述第二混合耦合器6的第四端通过第四阻抗变化器12与所述第二双端馈电微带天线8的第二端电性连接。
进一步的是，所述发射端环形器3的第四端连接第一负载13并且所述接收端环形器4的第四端连接第二负载14。
更进一步的是，所述发射端环形器3和所述接收端环形器4均为180°环形器，所述第一混合耦合器5和所述第二混合耦合器6均为90°耦合器。
优选地，在天线发射时(即发射端输入信号时)，第一混合耦合器5的第三端产生的信号和第四端产生的信号等幅正交，第二混合耦合器6的第三端产生的信号和第四端产生的信号等幅正交。
优选地，所述第一双端馈电微带天线7和所述第二双端馈电微带天线8构成天线阵列并且所述天线阵列用于发射和接收电磁波。
本发明的原理为，如图1所示：
发射(信号对消)：
信号由发射端输入(连接发射机)，经180°发射端环形器，产生两路等幅反相信号，一路进入上部的90°第一混合耦合器，进而产生两路等幅正交(信号相位差90°)信号：信号1和信号2，输入进上部的第一双端馈电微带天线。
另一路进入下部的90°第二混合耦合器，产生两路等幅正交信号：信号3和信号4，输入进下部的第二双端馈电微带天线。
由于180°环形器的作用，信号1和信号3、信号2和信号4分别相差180°，具体的相位如图1中所示(不带括号的角度)。
上下两个双端馈电微带天线，形成2*1天线阵列，将电磁波发射出去。
同时两各90°混合耦合器的隔离端的输出(第一泄露信号和第二泄露信号)以及天线端不匹配造成的(第一和第二)反射信号会在接收端环形器，由于路径一致，反相，所以会相互抵消，进而实现高隔离度。同时不管天线的阻抗如何匹配变化，只要上下两路的保持对称，其反射信号均会在接收端相互抵消(否则会影响与接收端连接的接收机的信号接收)。
接收(信号叠加)：
如图1中所示(括号内的角度)，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过与之连接的混合耦合器传输到接收端环形器(此时发射端进行关闭)，由于两路信号同相，在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
优选地，
本结构使用双层PCB加工，板材：Rogers4350,厚度0.254mm；
上下两层为金属，同时上层金属结构如图1所示。
180°发射端环形器：产生两路相同功率、反相信号；
180°接收端环形器：产生两路相同功率、同相信号；
90°混合耦合器：产生两路相同功率，正交信号；
第一/第二双端馈电微带天线：信号发射和接收(圆极化)；
50ohm负载(第一负载和第二负载)：吸收负载。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的雷达、发射端和接收端等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在信号发射时，信号由发射端输入，进而在与发射端连接的发射端环形器产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
步骤S2：第一路信号输入第一混合耦合器，以使得第一混合耦合器产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第二端；
步骤S3：第二路信号输入第二混合耦合器，以使得第二混合耦合器产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第二端；
步骤S4：由于发射端环形器，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
步骤S5：第一混合耦合器泄露产生的第一泄露信号和第二混合耦合器泄露产生的第二泄露信号分别输入接收端环形器，以使得第一泄露信号和第二泄露信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消，并且第一双端馈电微带天线产生的第一反射信号和第二双端馈电微带天线产生的第二反射信号分别也输入接收端环形器，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消。
2.根据权利要求1所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，其特征在于，发射端环形器和所述接收端环形器均为180°环形器，第一混合耦合器和所述第二混合耦合器均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
3.根据权利要求2所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，其特征在于，在步骤S5中，第一混合耦合器与第一双端馈电微带天线组成的电路和第二混合耦合器与第二双端馈电微带天线组成的电路相互对称，以使得第一反射信号和第二反射信号虽然随着阻抗的变化而变化，但是最终均会在接收端进行相互对消。
4.根据权利要求3所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，其特征在于，步骤S5之后还包括：
步骤S6：在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器和第二混合耦合器传输到接收端环形器，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
5.一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消方法，包括发射端环形器、接收端环形器、第一混合耦合器、第二混合耦合器、第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线，其中：
在信号发射时，信号由发射端输入，进而在与发射端连接的发射端环形器产生等幅相反的第一路信号和第二路信号；
第一路信号输入第一混合耦合器，以使得第一混合耦合器产生等幅正交的第一信号和第二信号，第一信号通过第一阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第一端并且第二信号通过第二阻抗变化器输入第一双端馈电微带天线的第二端；
第二路信号输入第二混合耦合器，以使得第二混合耦合器产生等幅正交的第三信号和第四信号，第三信号通过第三阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第一端并且第四信号通过第四阻抗变化器输入第二双端馈电微带天线的第二端；
由于发射端环形器，从而使得第一信号和第三信号相差预设相位角度并且第二信号和第四信号相差相等的预设相位角度，第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线形成天线阵列，进而将电磁波进行发射；
第一混合耦合器泄露产生的第一泄露信号和第二混合耦合器泄露产生的第二泄露信号分别输入接收端环形器，以使得第一泄露信号和第二泄露信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消，并且第一双端馈电微带天线产生的第一反射信号和第二双端馈电微带天线产生的第二反射信号分别也输入接收端环形器，以使得第一反射信号和第二反射信号在与接收端环形器连接的接收端进行对消。
6.根据权利要求5所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器，其特征在于，发射端环形器和所述接收端环形器均为180°环形器，第一混合耦合器和所述第二混合耦合器均为90°耦合器，预设相位角度为180°。
7.根据权利要求6所述的一种高隔离且宽带的毫米波雷达发射机泄露对消器，其特征在于，在信号接收时，信号由天线阵列进入，分别被第一双端馈电微带天线和第二双端馈电微带天线进行接收，然后分别通过对应连接的第一混合耦合器和第二混合耦合器传输到接收端环形器，由于两路信号同相，进而在接收端相互叠加，实现信号的增强接收。
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