DE1149764B - Wendelleiter zur UEbertragung von elektromagnetischen Wellen mit zirkularer elektrischer Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wendelleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit zirkularer elektrischer Welle mit einer die Wendel umgebenden, mit der Wendel dielektrisch gekoppelten Hülle zum Verringern parasitärer Wellen.

Ein eng gewickelter wendelförmiger Leiter mit einem Durchmesser, der größer als das l,2fache der Wellenlängen der übertragenen Energie im freien Raum ist, stellt ein Übertragungsmittel dar, das zur Fortpflanzung einer geeignet erregten Wellenform H₀₁ geeignet ist. Auf dieser wellenleitenden Anordnung erzeugt die Wellenform H₀₁ Wandströme, welche die Richtung des Umfangs haben und welche durch die Wendel mit geringer Steigung ausreichend geführt werden, auch wenn kein stetig leitender Weg am Umfang vorhanden ist. Gleichzeitig erzeugen die nicht gewünschten Wellenformen, in die die übertragene Welle zu entarten sucht, Wandströme, welche in Längsrichtung parallel zur Leiterachse liegen. Die dielektrischen Spalte zwischen benachbarten Wendelwindungen, welche diese Ströme passieren müssen, beeinflussen die Erzeugung und Fortpflanzung der nicht gewünschten Wellenformen. Allgemein hat auf dem Wendelleiter die FoHnH₀₁ eine reine Phasenkonstante, die von denjenigen der Form E₁₁ und anderer nicht gewünschter Nebenformen wesentlich verschieden ist. Durch diesen Unterschied der Phasenkonstanten entsteht zwischen den Wellenformen eine Entkopplung. Zusätzlich kann die Wendel bekanntlich mit einem Mantel aus elektrisch dämpfendem Material umgeben sein, um den Unterschied der Dämpfungskonstanten zwischen der Wellenform H₀₁ und den nicht gewünschten Formen zu erhöhen und damit die Tendenz der H₀₁-Form, sich in Nebenwellenformen umzuwandeln, herabzusetzen.

Ein derartiges Übertragungsmittel ist in idealer Weise für die Übertragung von breitbandigen Signalen über lange Strecken geeignet, da die Dämpfung der Energie in der Wellenform H₀₁ mit zunehmender Frequenz abnimmt. Bei Verwendung über lange Strecken dient der Wendelleiter dazu, zufällig oder absichtlich vorhandene Krümmungen oder Biegungen mit verhältnismäßig geringen Umwandlungsverlusten zu überbrücken. Bei Verwendung über kürzere Strekken wird der Wendelleiter als Filter eingesetzt, um die //„j-Energie durch Dämpfung von Nebenwellenformkomponenten, insbesondere der Formen E₁₁ und H_n rein zu halten.

Da eine Vergrößerung der Differenz der Phasenkonstanten und der Dämpfungskonstanten, welche die Leiteranordnung für die gewünschte Wellenform einerseits und für die unerwünschten Wellenformen Wendelleiter zur Übertragung
von elektromagnetischen Wellen
mit zirkularer elektrischer Welle

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. Dezember 1959 (Nr. 862 665)

John Robinson Pierce, Berkeley Heights, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

andererseits darstellt, den Wirkungsgrad des Wendelleiters dadurch erhöht, daß die Wellenformumwandlung herabgesetzt wird, ist es wünschenswert, diese Differenz soweit wie möglich zu vergrößern.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, durch neue und verbesserte Mittel die Tendenz der zirkulären elektrischen Wellenform in einem Wendelleiter zur Entartung in nicht gewünschte Wellenformen herabzusetzen.

Es wurde jedoch erkannt, daß für einige Anwendungen des Wendelleiters die erreichbare Differenz der Fortpflanzungskonstanten und damit die elektrische Arbeitsweise des Wendelleiters unterhalb des gewünschten Maßes liegen. Für diese Beschränkung können mehrere Gründe vorgebracht werden. Erstens hat die Oberflächenimpedanz, die der die Wendel umgebende dielektrische Mantel für die Ströme der nicht gewünschten Wendelform aufweist, oftmals einen unerwünschten Wert. Zweitens erzeugen die endliche Größe und der Abstand der benachbarten Wendeldrähte ein kapazitives Gitter zwischen der sich im Leiter fortpflanzenden Nebenwellenformenergie und dem äußeren dielektrischen Mantel, wodurch der Mantel teilweise gegen die Wellenenergie abgeschirmt wird und nur ein teilweises Eindringen der unerwünschten Ströme in den Mantel ermöglicht wird. Drittens sind die Dielektrizitätskonstanten von

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verfügbaren Dämpfungsmaterialien für den Mantel im allgemeinen zu hoch für eine wirksame Arbeitsweise des Leiters.

Durch eine dielektrische Trennung zwischen den Wendeldrähten und dem Dämpfungsmantel in radialer Richtung entsteht ein induktiver Effekt, der dazu verwendet werden kann, um die Kapazität des Drahtabstands zu kompensieren und die Impedanz, welche der Mantel für die nicht gewünschten Wellenformströme darstellt, in einen besseren Wert zu transformieren. Das Kompensationsmittel hat die Form einer isotropischen Isolierschicht aus dielektrischem Material mit geringer bis mittlerer Dielektrizitätskonstante. ■ -- -

Ein derartiges Mittel beeinflußt in günstiger Weise die Fortpflanzungseigenschaften des Wendelleiters, indem die Impedanz, welche der Dämpfungsmantel für die zu den unerwünschten Wellenformen gehörenden Längsströme der Spalte darstellt, geändert wird. Da die Theorie der Wellenformunterscheidung in dem Wendelleiter auf der Entstehung eines im wesentlichen stetigen leitenden Wegs für die Wandströme der Wellenform H₀₁ und eines im wesentlichen nicht stetigen leitenden Wegs für die Wandströme der nicht gewünschten Wellenformen beruht, verläßt die Verwendung eines Isoliermittels als dielektrischer Impedanzwandler das vertretene Konzept nicht im wesentlichen Ausmaß.

Wendelleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit zirkularer elektrischer Welle mit einer die Wendel umgebenden, mit der Wendel dielektrisch gekoppelten Hülle sind bekannt. Bei diesen bekannten Wendelleitern dient der verlustbehaftete Mantel, der die Wendel umgibt, dazu, parasitäre Wellen zu verringern.

Darüber hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei einem Wendelleiter die Leitfähigkeit der zirkulären elektrischen Wellen in Längsrichtung zu vergrößern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem neuen Wendelleiter vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß die Hülle Bereiche höchster Leitfähigkeit für die Ausbreitung der zirkulären elektrischen Wellen aufweist, die aus mehreren im Abstand angeordneten, metallischen, sich in einer zu der Längsachse der Wendel im wesentlichen parallelen Richtung erstreckenden Leitern bestehen. Eine solche Hülle verbessert die Wirkungsweise des Wendelleiters dadurch, daß infolge der großen Leitfähigkeit in Längsrichtung und der dazu vernachlässigbaren Leitfähigkeit inUmfangsrichtung ein induktiver Effekt entsteht.

Bei einem Wendelleiter nach der Erfindung für die Mikrowellen-Nachrichtenübertragung auf lange Strekken kann die Hülle einen getrennten, verlustbehafteten Mantel aufweisen, der die Wendel umgibt, wobei die Leiter zwischen der Wendel und dem Mantel eingesetzt sind.

Die Leiter können auch innerhalb des Mantels in beliebigem Abstand angeordnet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Leiter einzeln von einem verlustbehafteten Mantel umgeben und um die Wendel mit einer großen Steigung gewunden, so daß die Achse jedes Leiters einen kleinen Winkel mit der Längsachse der Wendel einschließt.

Die in Längsrichtung des Leiters stark leitende Hülle dient somit dazu, die Impedanz der Hülle auf einen Wert zu transformieren, der eine maximale Wirkung auf die sich fortpflanzenden, nicht gewünschten Wellen hat, und gleichzeitig die kapazitive Abschirmwirkung des Wendeldrahtgitters zu kompensieren.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Mikrowellennachrichtenübertragungssystem für i¥₀₁-Wellen, das den neuen Wendelleiter für lange Strecken enthält;

ίο Fig. 2 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des neuen Wendelleiterabschnitts, der einen anisotropisch leitenden Mantel enthält;

Fig. 3 und 4 zeigen perspektivische Ansichten von weiteren Wendelleiteranordnungen mit anisotropisch leitenden Mänteln.

In Fig. 1 ist ein Mikrowellennachrichtenübertragungssystem für lange Strecken in schematischer Form dargestellt. Das System ist für lange Strecken bestimmt gekennzeichnet, um es von Systemen für kurze Strecken zu unterscheiden, die sich in Endstelleneinrichtungen befinden und um eine Anwendung eines Wendelleiters bei Nachrichtensystemen für lange Strecken anzugeben. Die Länge eines derartigen Systems ist nach tausenden von Metern und vielleicht Kilometern zu messen, im Gegensatz zu einigen Zentimetern oder wenigen Metern bei Endstelleneinrichtungen. Das System besteht aus einer Endstelle 11, die ein Sender oder im Falle einer Zwischenstelle ein Verstärker sein kann, der mit einem Empfänger oder einem nachfolgenden Verstärker verbunden werden soll, der die Endstelle 12 bildet. Die zwischen diesen Endstellen zu übertragende Energie hat die #₀₁-Wellenform. Es kann sein, daß diese Wellenform in den Teilen einer gegebenen Stelle weder erzeugt noch benutzt wird, so daß die Wandler 13 und 14 zwischen die Endstellen 11 und 12 und die Enden des langen Wellenleiters 15 geschaltet sind. Die Wandler 13 und 14 können irgendeinen Aufbau haben, der sich zur Wandlung von H₀₁-Wellenenergie in die Grundform und aus der Grundform eignet. Die Anordnungen können in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Es kann ferner sein, daß die H₀₁-Wellenform unmittelbar in den Teilgeräten der Endstellen benutzt wird, wobei die Wandler 13 und 14 unnötig sind.

Fig. 2 zeigt eine teilweise aufgeschnittene, ins einzelne gehende Ansicht eines Wendelleiters 20 entsprechend der Erfindung, der für den langen Wellenleiterabschnitt 15 in Fig. 1 verwendet werden kann. Der Leiter 20 besteht aus einem langen leitenden Teil 21 aus verhältnismäßig dünnem Draht, der eng zu einer kreisförmigen Wendel gewickelt ist, die von den Mänteln 23 und 25 umgeben ist. Der Leiter 21 kann ein fester Kupferdraht oder eine Kupferlitze sein, ferner kann er aus einem Metall, wie Eisen oder Stahl, bestehen, das mit einem gut leitenden Metall, wie Kupfer oder Silber, überzogen ist. Benachbarte Windungen der Wendel sind elektrisch gegeneinander isoliert, wobei die Isolation, wie dargestellt, durch kleine Luftspalte 22 geschaffen ist, oder es können sich die benachbarten Windungen berühren, wobei die Isolation durch einen Lack oder einen plastischen Überzug auf dem Leiter selbst geschaffen ist. Die Steigung und der Steigungswinkel der Wendel, d. h. der Abstand zwischen den Mitten benachbarter Windungen, sind vorzugsweise so klein, wie es die Isolation zuläßt. Dieser Abstand kann ebenfalls kleiner als eine Viertelwellenlänge sein, er wird vorzugsweise so

ausgeführt, daß die Spalte 22 eine Breite haben, die geringer als der Durchmesser des Leiters 21 ist.

Den wendelförmig gewickelten Leiter 21 umgibt ein auf dessen Oberfläche liegender anisotropisch leitender Mantel 23, der, wie dargestellt, aus einer Vielzahl von Leitern oder Drähten 24 besteht, die sich in Längsrichtung parallel zur Achse des Wendelleiters 20 erstrecken. Der Mantel 23 kann aus Leitern bestehen, die dem Leiter 21 gleichen, und die in Fig. 2

radial sich fortpflanzende Wellen entstehen lassen. Die durch den Mantel 23 sich ergebenden einzelnen Gebiete mit Längsleitfähigkeit bewirken, daß dieser als induktive Reaktanz für die sich radial fortpfian-5 zenden Wellenformen erscheint, wodurch die Kapazität des wendeiförmigen Leiters kompensiert und bewirkt wird, daß die Impedanz des Mantels einen Wert annimmt, der zu einer nahezu vollständigen Einkopplung der durch diese Wellenformen darge-

mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt sind, wobei 10 gestellte Energie in den Mantel 25 führt. Diese diese Darstellung nur ein Beispiel ist und die Erfin- Energie innerhalb des Mantels 25 wird dann durch dung nicht hierauf beschränkt sein soll. Jeder Leiter die Verluste im Mantel absorbiert. Wenn die ge-24 ist gegen den anderen und gegen den wendel- wünschte Impedanzanpassung erreicht ist, wird die förmigen Leiter 21 isoliert. Wie vorher, wird diese Wellenenergie der fl^-Form im Leiter 15 nicht leicht Isolierung einfach dadurch geschaffen, daß ein iso- 15 in die E₁₁-FoHn und in andere nicht gewünschte lierender Überzug auf der Oberfläche jedes Leiters Wellenformen umgewandelt, da die Differenzen der vorgesehen ist. Wenn die Leiter 24 mit einer Isolie- Dämpfung und der Phasenkonstanten zwischen den rung überzogen sind, können sie sich berühren, wobei gewünschten und nicht gewünschten Wellenformen die Isolierung den Raum zwischen den benachbarten nicht Null sind. Dies Ergebnis folgt aus dem Grund-Leitern darstellt, der das Durchdringen von Energie 20 satz, daß die Tendenz zur Wellenformumwandlung durch den Mantel 23 zuläßt. Wenn nur der Leiter 21 klein gehalten wird, indem die Differenzen der Fortüberzogen ist, muß ein schmaler Luftspalt zwischen pflanzungskonstanten zwischen den gewünschten und den Leitern 24 vorgesehen werden. Wie aus Fig. 2 den nicht gewünschten Wellenformen groß gemacht hervorgeht, besteht der Mantel 23 aus einer einfachen wird.

Schicht von Leitern. Es kann auch wünschenswert 25 Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer sein, die Wendel mit einer Vielzahl von Leiterschich- Wendelwellenleiteranordnung 30, die gegenüber dem ten zu bedecken, jedoch soll in jedem Fall zur Erzie- in Fig. 2 dargestellten Leiter Vorteile und Unterlung einer bestmöglichen Arbeitsweise des Leiters in schiede im Aufbau aufweist. Insbesondere besteht der einem breiten Frequenzband die radiale Dicke des Leiter 30 aus einem langen leitenden Teil 31 aus verMantels 23 eine Viertelwellenlänge der höchsten zu 30 hältnismäßig feinem Draht, der zu einer kreisförmigen übertragenden Betriebsfrequenz nicht übersteigen. Wendel gewickelt ist und der von einem anisotropen Den anisotropen Mantel 23 umgibt ein dielek- Mantel 32 umgeben ist. Der Leiter 31 kann fester trischer Mantel 25, der mehreren verschiedenen Funk- Kupferdraht oder Kupferlitze sein, er kann auch aus tionen dienen kann. Mechanisch trägt der Mantel 25 einem Metall, wie Eisen oder Stahl, bestehen, das mit die Kombination aus Wendel und Längsdrähten und 35 einem gut leitenden Metall, wie Kupfer oder Silber, hält deren Teile in der richtigen Lage zueinander. überzogen ist. Benachbarte Windungen der Wendel Wenn das mechanische Tragen die einzige Wirkung sind elektrisch gegeneinander isoliert, wobei, wie des Mantels 25 sein soll, kann er aus einem Zylinder dargestellt, die Isolierung durch kleine Luftspalte 33 aus verlustarmem dielektrischem Material, wie Poly- geschaffen werden kann, oder es können sich die beäthylen, bestehen. Jedoch ist es bei der Anwendung 40 nachbarten Windungen berühren, wobei die Isolievon Wendelleitern allgemein üblich, daß wenigstens rung durch einen Lack oder einen plastischen Überein dielektrischer Mantel vorhanden ist, der die zug auf dem Leiter selbst geschaffen wird. Die Stei-Wendeldrähte umgibt und der mit elektrischen Ver- gung und der Steigungswinkel der Wendel, d. h. der lusten behaftet ist. Der Ausdruck mit elektrischen Abstand zwischen den Mitten benachbarter Windun-Verlusten behaftet soll sich auf ein Material beziehen, 45 gen, sind vorzugsweise so klein, wie es die Isolierung

zuläßt. Dieser Abstand kann ebenfalls kleiner als eine Viertelwellenlänge sein. Er ist vorzugsweise derart, daß die Spalte 33 eine Breite aufweisen, die geringer als der Durchmesser des Leiters 31 ist.

Den wendelförmig gewickelten Leiter 31 umgibt ein Mantel 32, der aus einer Vielzahl von Leitern 34 besteht, die jeweils mit einem Überzug 35 aus Dämpfungsmateria] bedeckt sind. Die Leiter 34 sind vorzugsweise metallisch und können aus einem Material

r und mit kohlestoffüberzogenes 55 bestehen, das demjenigen des wendeiförmigen Leiters

31 gleicht. Die verlustreichen Überzüge 35 liefern die

das die eindringende Wellenenergie in Wärmeenergie umwandelt. Wenn der Mantel 25 mit Verlusten behaftet ist, wird die Dämpfung der nicht gewünschten Wellenformen gegenüber denjenigen beträchtlich erhöht, die in einer verlustfreien Wendel oder in einem 50 gewöhnlichen Kupferleiter auftreten. Typische Beispiele für mit Verlusten behaftete Materialien, die sich für den Mantel 25 eignen, sind bekanntlich kohlestoffhaltige plastische Materialien, mit Filmoxyd überzogene Glasfib
Papier oder Band.

Bei der typischen Arbeitsweise eines Wellenleiters, gewünschte Dämpfung im Mantel 32. Als spezielles wie er in Fig. 2 dargestellt und in Fig. 1 enthalten ist, Beispiel kann der Mantel 32 aus Kupferdrähten betritt Wellenenergie hauptsächlich in der #₀₁-Wellen- stehen, die mit einer mit Kohle getränkten Papierform, jedoch mit einem begrenzten Pegel an nicht 60 masse überzogen sind. Alternativ können die Metallgewünschten Wellenformen an einem Ende des Lei- drähte mit kohlehaltigen plastischen Materialien oder terabschnitts 15 ein und wird entlang dieses Leiters mit einem anderen ähnlichen verlustreichen Material fortgepflanzt. Die durch die #₀₁-Form entstehenden überzogen sein. Da die Leiter 34 gegeneinander iso-Wandströme am Umfang werden durch den wendel- liert sein sollen, müssen die Überzüge 35 außer ihren förmigen Leiter 21 geführt, während die durch die 65 dämpfenden Eigenschaften auch dielektrisch isolienicht gewünschten Formen entstehenden Längswand- rende Eigenschaften aufweisen, ströme durch die Spalte 22 hindurch zu den umgeben- Wie in Fig. 3 dargestellt ist, besteht der Mantel 32 den Mänteln 23 und 25 gelangen, wo diese Ströme aus einer Vielzahl von mit einem Überzug versehe-

nen Leitern, die mit einer breiten kreisförmigen Steigung um den wendeiförmigen Leiter 31 gewickelt sind, d. h., die Richtung der Mittelachse eines gegebenen Leiters 34, die durch die Linie 36 angedeutet ist, weist einen kleinen Winkel α zur Richtung der Mittelachse des Leiters selbst auf, der durch die Linie 37 angedeutet ist. Theoretisch soll α etwa 1 oder 2° sein. Jedoch ändert sich die induktive Wirkung durch die Leiter mit Cosinus a, deshalb kann in der Praxis α auf 26° erhöht werden, wobei nur eine Herabsetzung von der induktiven Wirkung von 10% auftritt. Der Mantel 32 zeigt dann eine wesentliche Leitfähigkeit parallel zur Achse des Leiters 30, aber eine sehr geringe Leitfähigkeit in Richtung des Umfangs. Ein besonderer Vorteil dieses anisotropen Mantels aus überzogenen Leitern beruht auf der Leichtigkeit der Herstellung. Die Herstellung des Leiters 30 ist nicht schwierig, da dem Leiter die Dämpfung und die anisotrope Leitfähigkeit gleichzeitig mit der Herstellung des Mantels 32 verliehen werden, indem die überzogenen Leiter auf die Wendel gleichzeitig gewickelt werden. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besteht der Mantel 32 nur aus einer Schicht aus überzogenen Leitern. Die dämpfenden Eigenschaften des Mantels können ohne Beeinträchtigung der Wirkungsweise des Leiters verbessert werden, indem eine Vielzahl von Schichten derartiger Leiter auf die innere Wendel gewickelt wird.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung des in Fig. 2 oder 3 dargestellten Wendelleiters. Der Mantel, welcher die mittlere Wendel eines Wendelwellenleiters umgibt, kann aus geschichteten Lagen aus mit Kunstharz imprägniertem Fiberglas bestehen. In Fig. 4 sind die Leiter 40 beispielsweise in den Fiberglasschichten 41 verteilt, welche den wendelförmig gewickelten Leiter 42 umgeben. Die Leiter 40 werden in den Schichten während des Aufbringens des Mantels 41 in beliebiger Weise verteilt. Die Leiter 40 können sich in Längsrichtung parallel zur Achse des Wendelleiters 43 wie in Fig. 2 erstrecken, oder sie können mit einer großen kreisförmigen Steigung wie in Fig. 3 gewickelt werden. In jedem Fall verleitet das Vorhandensein der Leiter im Mantel 41 diesem eine Längsleitfähigkeit, welche die elektrischen Übertragungseigenschaften des gewöhnlichen Wendelleiters mit einem Mantel aus Fiberglas wesentlich verbessert.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Wendelleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen mit zirkularer elektrischer Welle mit einer die Wendel umgebenden, mit der Wendel dielektrisch gekoppelten Hülle zum Verringern parasitärer Wellen, dadurch gekennzeich net, daß die Hülle Bereiche höchster Leitfähigkeit für die Ausbreitung der zirkulären elektrischen Wellen aufweist, die aus mehreren im Abstand angeordneten, metallischen, sich in einer zu der Längsachse der Wendel im wesentlichen parallelen Richtung erstreckenden Leitern bestehen.

2. Wendelleiter nach Anspruch 1 für die Mikrowellennachrichtenübertragung auf lange Strecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle einen getrennten, verlustbehafteten Mantel aufweist, der die Wendel umgibt, wobei die Leiter zwischen der Wendel und dem Mantel eingesetzt sind.

3. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in beliebigem Abstand innerhalb des Mantels angeordnet sind.

4. Wendelleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter einzeln von einem verlustbehafteten Mantel umgeben und um die Wendel mit großer Steigung gewunden ist, so daß die Achse jedes Leiters einen kleinen Winkel mit der Längsachse des Wendeis einschließt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 205 554;
USA.-Patentschriften Nr. 2 748 350, 2 848 690;
The Bell System Technical Journal, Mai 1958,

S. 682 und 683; November 1958, S. 1629 und 1630,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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