DE60037247T2 - Hohlleiterfilter mit frequenzselektiver Oberfläche - Google Patents
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Description
- GEBIET
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Trennung verschiedener Wellenlängen von elektromagnetischen Wellen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Trennung von elektromagnetischen Wellen unter Nutzung eines Wellenleiters mit einer zweidimensionalen frequenzselektiven Fläche, kombiniert mit einem Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang.
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Mikrowellenenergie kann sich in einer Anzahl verschiedener Moden und in einer Anzahl physikalischer Strukturen ausbreiten. Die sich durch solche Strukturen ausbreitende Mikrowellenenergie kann bei einer willkürlichen Frequenz oder einem willkürlichen Frequenzspektrum vorliegen. Im Allgemeinen werden für eine gegebene Anwendung nur spezifische Frequenzen des Spektrums genutzt. Daher werden als Filter bekannte Geräte üblicherweise in der Struktur platziert, um das breite Spektrum von Mikrowellen-Frequenzen in spezifische Frequenzen zu trennen.
- Eine der üblicherweise für die Übertragung von elektromagnetischer Energie genutzten Strukturen ist der Wellenleiter. Wellenleiter bieten sehr geringen Verlust zu dem Durchgang der Wellen und begrenzen weiterhin die Energie in dem Wellenleiter. Eine der Funktionen, für die Wellenleiter genutzt werden können, ist die oben genannte Filterung, das heißt die Auswahl oder Unterdrückung eines spezifischen Frequenzbandes aus einem breiten Spektrum von Frequenzen.
- Herkömmliche Wellenleiter-Filter zum Trennen verschiedener Frequenzen oder Wellenlängen beruhen im Allgemeinen auf dreidimensionalen Strukturen, die in elektromagnetischer Wellenform die in den unteren Frequenzen angetroffenen hinlänglich bekannten Filterelemente simulieren, wie zum Beispiel Induktionsspulen, Kondensatoren und Kombinationen derselben, um Resonanzschaltungen und Sperrkreise zu bilden.
- Diese Filterelemente können aus Säulen, Blenden und anderen physischen Formen bestehen, die sowohl quer als auch längs entlang des Wellenleiters angeordnet sind. Diese Bruchteile von Wellenlängen werden durch hinlänglich bekannte mathematische Beziehungen zwischen der Frequenz des Bandes übertragener elektromagnetischer Energie und den Abmessungen des Wellenleiters festgelegt. Je mehr Filterelemente entlang der Längsachse des Wellenleiters genutzt werden, umso größer ist die Filterwirkung und leider auch die Größe des Wellenleiters. Somit sind aufgrund der Art der verwendeten Elemente herkömmliche Wellenleiter-Filter relativ komplex und groß, wodurch sie sich als unvorteilhaft in Anwendungen herausstellen, in denen geringe Kosten und geringe physische Größe wichtig sind.
- In einigen Fällen kann jedoch ein einziges in dem Wellenleiter quer angeordnetes Element für den gewünschten Grad der Filterung ausreichend sein. Ein Beispiel dafür ist ein einfacher Bandsperrfilter, der in „Bandstop Iris for Rectangular Waveguide" (Bandsperrblende für rechteckigen Wellenleiter – nicht autorisierte Übersetzung – d. Übers.) von N. G. Patterson und I. Anderson in Electronics Letters, 28. Oktober 1976, Bd. 12, Nr. 22, beschrieben wird. Das Filterelement hat die Form einer Blende, in der das metallische Muster eine Induktionsspule und einen Kondensator in Reihe simuliert (das heißt eine Bandsperrstruktur). Wenn die Filterwirkung für eine gegebene Anforderung ausreichend ist, reduziert eine solche einfache Struktur die Länge des Wellenleiters. Zusätzlich zu der Blende muss der Wellenleiter jedoch gegebenenfalls für Zwecke der Erregung mit einem Übergang zu einem anderen Medium (zum Beispiel ein Koaxialkabel oder eine Mikrostreifenschaltung) versehen werden, das zusätzliche Länge des Wellenleiters erfordert.
- Eine andere für die Übertragung von elektromagnetischer Energie üblicherweise verwendete Struktur ist der Mikrostreifen. Dementsprechend können Filter unter Verwendung von Mikrostreifenschaltungen hergestellt werden. Eine Mikrostreifenschaltung besteht aus einer Dünnfilm-Metallspur, die auf einem dielektrischen Substrat abgelagert ist. Herkömmliche Mikrostreifenfilter bestehen aus planaren leitfähigen Elementen, die Induktionsspulen, Kondensatoren und resonante Elemente simulieren. Ein Problem, das entsteht, wenn Mikrostreifenfilter eingesetzt werden, um elektromagnetische Energie zu filtern, ist, dass Mikrowellenenergie außerhalb des Frequenzbandes von Interesse die Mikrostreifenschaltung umgehen kann, wodurch Verschlechterung der Filterwirkung ver ursacht wird. Zusätzlich stellen herkömmliche Mikrostreifenfilter, um die Filterungsleistung im Vergleich mit Wellenleiter-Filtern zu senken, einen größeren ungewollten Verlust an dem ausgewählten gewünschten Signal als Wellenleiter-Filter dar.
- Eine andere Struktur, die zum Filtern elektromagnetischer Signale verwendet wird, ist als frequenzselektive Fläche (Frequency Selective Surface (FSS)) bekannt. Wenngleich frequenzselektive Flächen (FSS) planar sind wie Mikrostreifen, wirken sie auf Wellen, die sich im freien Raum ausbreiten. Sie werden in bestimmten Antennenkonfigurationen eingesetzt, um ein Frequenzband hindurchgehen zu lassen und ein anderes zu reflektieren. Sie können entweder durch eine metallische Platte ohne Ausschnitte (zum Beispiel Löcher einer bestimmten Größe) oder durch ein metallisches Muster auf einem dielektrischen Substrat, ähnlich einer Mikrostreifenschaltung mit Resonanzschaltung, realisiert werden. Es ist möglich, solche planaren Strukturen in einen Wellenleiter einzufügen, um eine Filterwirkung zu erzielen. Ein wichtiges Merkmal für den Zweck des Vergleiches mit anderen FSS-ähnlichen Strukturen ist der Umstand, dass ein jedes solches planares Element allein als Filter arbeiten kann. Die Platzierung mehrerer solcher Elemente entlang der Längsachse des Wellenleiters mit geeigneten Abständen intensiviert die Filterwirkung.
- Das
US-Patent Nr. 4,598,262 beschreibt eine Struktur, die auf den ersten Blick Ähnlichkeiten mit einem Wellenleiter-Filter des Typs FSS (frequenzselektive Fläche) zu haben scheint. Sie verwendet eine Reihe von querliegenden Gitterelementen, die sich in einem Wellenleiter in Längsrichtung wiederholen. Die einzelnen Gitterelemente weisen jedoch allein keine Frequenzselektivität auf. Sie leiten ein Signal mit einer bestimmten Polarisation einfach weiter und reflektieren ein Signal mit einer Polarisation, die orthogonal zu der erstgenannten ist, und zwar unabhängig von der Frequenz. Die Frequenzempfindlichkeit (das heißt die Filterwirkung) wird erzielt, indem das Signal in zwei orthogonalen Moden an den Wellenleiter angelegt wird und die Gitter in vordefinierten Winkeln ausgerichtet werden. Dies, kombiniert mit einem geeigneten Abstand der einzelnen Gitterelemente, ergibt eine Reihe von Teilübertragungen und Reflexionen, die einander in dem zu sendenden (oder zurückzuweisenden) Frequenzband unterstützen oder löschen. Somit unterscheidet sich diese Art von Filter grundlegend von denen, die wahrhaft resonante FSS-Strukturen verwenden. Er ist auch voluminös, da er einen Wandler von einem Einzelmodus auf zwei orthogonale Moden an einem jeden Ende der Struktur erfordert. - Abgesehen von den Betrachtungen zur Filterung an sich ist es oft notwendig, einen Übergang zwischen elektromagnetischen Wellen, die in einem Wellenleiter vorliegen, und elektromagnetischen Wellen in einem externen Medium, wie zum Beispiel einem Mikrostreifen, bereitzustellen. Wenn sowohl ein Filter als auch ein Übergang von Mikrostreifen zu Wellenleiter erforderlich sind, ist es häufig üblich, diese beiden Funktionen zu trennen. Diese Trennung kann in Form von Welleleiter-Filtern erfolgen, die in dem Wellenleiter angeordnet sind, oder sie kann in Form von Mikrostreifenstrukturen erfolgen, die auf dem Mikrostreifensubstrat extern zu dem Wellenleiter angeordnet sind. Der Übergang befindet sich an noch einer anderen physischen Position in dem Wellenleiter. Die sich ergebende Struktur ist relativ groß und kostspielig, selbst in Fällen, in denen ein Einelement-Wellenleiter-Filter für den erforderlichen Grad an Filterung ausreichend wäre.
- Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Anwendung des FSS-Prinzips, um einen leistungsstarken Wellenleiter-Filter bereitzustellen, der für Anwendungen geeignet ist, bei denen geringe Kosten und geringe physische Größe gefordert sind.
- KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
- Im Allgemeinen besteht der Wellenleiter-Filter der vorliegenden Erfindung aus einer frequenzselektiven Fläche, die in dem Wellenleiter querliegend ausgerichtet ist und ein zweidimensionales Feld von Leiterelementen aufweist, die von einem dielektrischen Substrat getragen werden. Das Feld von Leiterelementen wird durch ein sich wiederholendes geometrisches Muster gebildet. Das sich wiederholende geometrische Muster kann eine Vielzahl von Steuerkreisen, Kreuzen oder Gittern sein. Die Anordnung des sich wiederholenden geometrischen Musters führt zur Bildung einer Anzahl von induktiven und kapazitiven Elementen. Die Wechselwirkung dieser Elemente bietet geringen Widerstand gegen bestimmte Frequenzen, während andere Frequenzen gesperrt werden. Die Bestimmung, welche Frequenzen durch den Filter hindurchgehen gelassen werden, und welche gesperrt werden, ist abhängig von der Form, der Breite und dem Abstand der induktiven und kapazitiven Elemente der frequenzselektiven Fläche.
- Der Wellenleiter und somit der Wellenleiter-Filter der vorliegenden Erfindung können eine beliebige Querschnittsform aufweisen, einschließlich einer quadratischen, einer rechteckigen und einer kreisförmigen.
- In einem Ausführungsbeispiel mit einem Wellenleiter mit einem rechteckigen Querschnitt und einem rechteckigen Wellenleiter-Filter tritt das Signal an einem Ende in den Wellenleiter ein, in einem Quermodus, der auch als der Modus TE1,0 bezeichnet wird. Das Signal breitet sich mit geringem Verlust in einer Längsrichtung in dem Wellenleiter aus. Querliegend in dem Wellenleiter ist eine frequenzempfindliche Fläche angeordnet. Elektromagnetische Wellen spezifizierter Frequenzen gehen ungehindert durch die frequenzempfindliche Fläche hindurch, wohingegen andere von den Filterelementen reflektiert werden. Die Wellen, die ausgewählt und durch den Film übertragen werden, breiten sich weiter in Längsrichtung entlang des Wellenleiters aus.
- Ein alternatives Ausführungsbeispiel verwendet einen Wellenleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die frequenzselektive Fläche ebenfalls kreisförmig, und die Filterelemente auf der frequenzselektiven Fläche können in Form konzentrischer kreisförmiger Profile vorliegen.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden mehrere frequenzselektive Flächen eingesetzt, in Querrichtung ausgerichtet und entlang eines Wellenleiters angeordnet. Die erforderliche Trennung zwischen den genannten Flächen ist abhängig von der Wellenlänge des zu übertragenden oder zu reflektierenden elektromagnetischen Spektrums.
- Der Wellenleiter-Filter der vorliegenden Erfindung umfasst zusätzlich, auf einem üblichen dielektrischen Substrat, eine frequenzselektive Fläche, die mit einem Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang in der Form eines planaren Stumpfes kombiniert wird, wirksam, um wirksame Kopplung zwischen der frequenzselektiven Fläche und der externen Mikrostreifenschaitung bereitzustellen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Zahlreiche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann erkennbar werden, wenn die hier vorliegende Schrift in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen gelesen wird, in denen jeweils gleiche Verweisziffern gleiche Elemente bezeichnen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
-
1 ist eine aufgeschnittene Darstellung eines Schnittes eines rechteckigen Wellenleiters mit einer frequenzselektiven Fläche. -
2 ist eine Ansicht eines rechteckigen Ausführungsbeispieles der frequenzselektiven Fläche der vorliegenden Erfindung. -
3 ist eine Grafik einer Schaltung, die gleichwertig zu der in2 veranschaulichten frequenzselektiven Fläche ist. -
4 ist eine aufgeschnittene Darstellung eines Schnittes eines zylindrischen Wellenleiters mit einer kreisförmigen frequenzselektiven Fläche. -
5 ist eine aufgeschnittene Darstellung eines Schnittes eines rechteckigen Wellenleiters mit einer Vielzahl von frequenzselektiven Flächen. -
6 ist eine aufgeschnittene Darstellung eines Schnittes eines rechteckigen Wellenleiters mit einer frequenzselektiven Fläche mit einem Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang; und -
7 ist eine grafische Darstellung und veranschaulicht die Kopplung und die Filterleistung des Wellenleiter-Filters aus6 . - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Unter Bezugnahme auf
1 wird ein Schnitt eines rechteckigen Wellenleiters10 gezeigt, der eine darin eingefügte frequenzselektive Fläche12 aufweist. Die frequenzselektive Fläche12 kann eine beliebige Anzahl von Mustern aufweisen, die ausgewählt werden, um die gewünschte Filterwirkung auszuführen. - Unter Bezugnahme auf
2 wird ein Ausführungsbeispiel der frequenzselektiven Fläche12 gezeigt. Die frequenzselektive Fläche12 besteht aus einem zweidimensionalen Muster, das auf einem Metallfilm erzeugt wird, der von einem dielektrischen Substrat getragen wird. Das auf dem Metallfilm erzeugte zweidimensionale Muster besteht aus einem Feld von äußeren Leiterelementen14 und inneren Leiterelementen16 . Die äußeren und die inneren Leiterelemente14 und16 werden aus einem elektrisch leitfähigen Metall ausgebildet. Das leitfähige Metall kann Kupfer, Gold, Platin oder ein beliebiges Material sein, das Elektrizität leiten kann und das für Abscheidung oder Aufbringung auf einem dielektrischen Substrat geeignet ist. Die äußeren Leiterelemente14 und die inneren Leiterelemente16 sind durch Zwischenräume getrennt, die durch selektives Ätzen der dünnen Metallfolie ausgebildet werden können. Die äußeren leitfähigen Elemente14 bestehen jeweils aus separaten offenen Schleifen. Die Schleife eines jeden äußeren leitfähigen Elementes14 beginnt und endet an der Innenfläche des Wellenleiters10 . Die äußeren leitfähigen Elemente14 bilden ein symmetrisches, sich wiederholendes Muster, das beliebige Male wiederholt werden kann, wie dies erforderlich ist, um eine spezifische Anwendung auszuführen. - Die inneren leitfähigen Elemente
16 sind in einem periodischen Feld angeordnet. Die Abschnitte18 der inneren leitfähigen Elemente16 , die parallel zu der elektrischen Feldkomponente der Mikrowellen in dem Wellenleiter sind, wirken als induktive Elemente (die Richtung der elektrischen Feldkomponente wird durch den Pfeil A von1 angedeutet). - Unter Bezugnahme auf die
2 und3 erzeugen die inneren leitfähigen Elemente16 induktive Elemente in dem Wellenleiter, die funktionell ähnlich der Induktionsspule27 (L1) in der Einzelbauelement-Ersatzschaltung26 sind. Die Kanten20 des inneren leitfähigen Elementes16 , die senkrecht zu der elektrischen Feldkomponente in dem Wellenleiter sind, in Verbindung mit den Kanten22 der äußeren leitfähigen Elemente14 , die senkrecht zu der elektrischen Feldkomponente in dem Wellenleiter sind, wirken als kapazitives Element. Dieses kapazitive Element ist funktionell ähnlich dem Kondensator30 (C) wie in3 gezeigt. Die Abschnitte der äußeren leitfähigen Elemente14 , die parallel zu der elektrischen Feldkomponente in dem Wellenleiter sind, sind funktionell ähnlich der Induktionsspule28 (L2), die ebenfalls in3 gezeigt wird. - Unter Bezugnahme auf
4 wird ein alternatives Ausführungsbeispiel des Wellenleiter-Filters der vorliegenden Erfindung als eine kreisförmige frequenzselektive Fläche aufweisend veranschaulicht. Die frequenzselektive Fläche wird durch selektives Ätzen einer dünnen Metallfolie ausgebildet, wodurch sich die Leiterelemente36 und38 ergeben. Die sich ergebende kreisförmige frequenzselektive Fläche34 wird in einem zylindrischen Wellenleiter32 genutzt. - Unter Bezugnahme auf
5 werden mehrere frequenzselektive Flächen42 ,44 und46 als in einem Schnitt des Wellenleiters40 eingesetzt gezeigt. Die Nutzung von kreisförmigen Mehrfach-Wellenleiterfiltern kann auch in einem zylindrischen Wellenleiter eingesetzt werden. -
6 zeigt einen Wellenleiter-Filter, in dem eine frequenzselektive Fläche50 mit einem Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 kombiniert worden ist. Im Wesentlichen ist der Übergang ein planarer Stumpf. Der Übergang ist mit der frequenzselektiven Fläche zusammenliegend auf einem Trägersubstrat angeordnet. Das Substrat mit dem Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 und die frequenzselektive Fläche50 sind querliegend in den rechteckigen Wellenleiter48 eingeführt. Eine Austrittsöffnung54 ist in der Wand des Wellenleiters48 angeordnet, um zu ermöglichen, dass der Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 mit einer externen Mikrostreifenschaltung (nicht gezeigt) gekoppelt wird. - Die frequenzselektive Fläche
50 besteht aus einer planaren Fläche, die aus einem dielektrischen Substrat ausgebildet wird, das mit einem elektrisch leitfähigen Metallfilm beschichtet ist. Spezifische Abschnitte des Metallfilms sind entfernt worden, um Schaltungselemente auszubilden. Der restliche Metallfilm umfasst ein Feld von frequenzselektiven Oberflächen-Filterelementen56 und einen Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 . Die Filterelemente56 bestehen aus einer Vielzahl von separaten offenen Mittelrechteckschleifen. Die Größen dieser Schleifen werden anhand der zu reflektie der zu reflektierenden beziehungsweise zu übertragenden Frequenzen mathematisch ermittelt. Wenngleich die vorliegende Erfindung nicht auf ein Muster beschränkt ist, wird ein spezifisches Muster gezeigt, um die Funktionsweise der Erfindung zu erläutern. - Unter erneuter Bezugnahme auf
6 ist der Mikrostreifen-Wellenleiter-Übergang52 etwa mittig in Bezug auf die frequenzselektive Fläche50 angeordnet. Die Abmessungen des Wellenleiter-Mikrostreifen-Überganges52 werden durch die Impedanz der Verbindungs-Mikrostreifenschaltung (nicht gezeigt) bestimmt, die extern zu dem Wellenleiter48 ist, und durch die Abmessungen des Wellenleiters48 . Um eine wirksame Kopplung zwischen dem Wellenleiter48 und der externen Mikrostreifenschaltung zu erhalten, können entweder die Abmessungen des Wellenleiter-Mikrostreifen-Überganges52 verändert werden, oder die Impedanz-Anpassungsschaltung kann an der externen Mikrostreifenschaltung verwendet werden. - Das dielektrische Substrat, das die frequenzselektive Fläche
50 und den Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 trägt, ist ein Viertel einer elektrischen Wellenlänge weg von dem kurzgeschlossenen Ende58 des Wellenleiters48 angeordnet, wobei die Wellenlänge die des Signals in der Mitte des Frequenzbandes ist, das durch die Struktur wirksam übertragen werden soll. Dies stellt sicher, dass der Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang52 an einem Punkt größter elektrischer Feldstärke angeordnet ist, was wiederum optimale Kopplung zwischen dem Wellenleiter und der externen Mikrostreifenschaltung ermöglicht. - Unter Bezugnahme auf
7 ist ersichtlich, dass die Leistung des integrierten Mikrostreifen-Wellenleiter-Überganges, in einen Wellenleiter eingefügt, aus einem Durchlassband besteht, in dem wirksame und symmetrische Übertragung zwischen dem Wellenleiter und der externen Mikrostreifenschaltung vorliegt. Des Weiteren wird die Filterwirkung durch die Unterdrückung des Signals an beiden Enden des Durchlassband-Abschnittes nachgewiesen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in7 veranschaulichten Filter- und Kopplungseigenschaften beschränkt. Diese Eigenschaften sind lediglich für ein Ausführungsbeispiel repräsentativ, um anhand eines Beispieles die mittels der vorliegenden Erfindung erzielbaren Ergebnisse zu veranschaulichen.
Claims (7)
- Wellenleiter-Filter, das umfasst: (a) einen Wellenleiter (
10 ;32 ;40 ;48 ) (b) eine frequenzselektive Fläche (12 ;34 ;42 ;44 ;46 ;50 ), die sich innerhalb des Wellenleiters (10 ;32 ;40 ;48 ) befindet, wobei die frequenzselektive Fläche (12 ;34 ;42 ;44 ;46 ;50 ) einen planen, elektrisch leitenden Film umfasst, der von einem dielektrischen Substrat getragen wird, das sich innerhalb des Wellenleiters (10 ;32 ;40 ;48 ) befindet und senkrecht zu Wänden des Wellenleiters (10 ;32 ;40 ;48 ) ausgerichtet ist, gekennzeichnet durch: (c) einen Mikrostreifen, der sich außerhalb des Wellenleiters (10 ;32 ;40 ;48 ) befindet; und (d) einen Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergang (52 ), der den Wellenleiter (10 ;32 ;40 ;48 ) mit dem Mikrostreifen verbindet, wobei sich wenigstens ein Teil des Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergangs (52 ) an dem Substrat befindet. - Wellenleiter-Filter nach Anspruch 1, wobei der Film selektiv geätzt ist, um induktive und leitende Elemente auszubilden.
- Wellenleiter-Filter nach Anspruch 2, wobei der elektrisch leitende Film ein Kupferfilm ist.
- Wellenleiter-Filter nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt hat und die frequenzselektive Fläche eine rechteckige Form hat, die komplementär zum Querschnitt des Wellenleiters ist.
- Wellenleiter-Filter nach Anspruch 1, wobei sich die frequenzselektive Fläche in einem Abstand zu einem kurzgeschlossenen Ende des Wellenleiters befindet und der Abstand einem Viertel einer elektrischen Wellenlänge eines Signals gleich ist, das sich in der Mitte eines Frequenzbandes befindet, das wirksam durch das Wellenleiter-Filter hindurchgeleitet werden soll.
- Wellenleiter-Filter nach Anspruch 1, wobei das Wellenleiter-Filter eine Vielzahl frequenzselektiver Flächen umfasst, die in Längsrichtung entlang eines Innenraums des Wellenleiters beabstandet und senkrecht in Bezug auf die Wände des Wellenleiters ausgerichtet sind.
- Wellenleiter-Filter nach Anspruch 1, wobei der Mikrostreifen zusätzlich eine Impedanzanpassungsschaltung umfasst.
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