DE855276C - Elektromagnetische Vorrichtung fuer die Amplitudenmodulation einer Hochfrequenzschwingung - Google Patents
Elektromagnetische Vorrichtung fuer die Amplitudenmodulation einer HochfrequenzschwingungInfo
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Description
(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 10. NOVEMBER 1952
N 3789 VIIIa 121 a*
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrichtung für die Amplitudenmodulation
einer Hochfrequenzschwingung mit einer hohen Frequenz von z. B. mehr als ioo MHz, die ein
nahezu nichtleitendes, ferromagnetisches Medium enthält, das infolge eines modulierenden Vormagnetisierungsfeldes
eine veränderliche Dämpfung der Hochfrequenzschwingung herbeiführt. Unter Amplitudenmodulation
wird hier auch die Regelung der Amplitude in Abhängigkeit von einer Regelgröße verstanden.
Es wurde bereits eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein nahezu nichtleitendes, ferromagnetisches
Medium enthält, z. B. Ferrit (chemische Formel Me(Fe2O4),,, wo Me ein Metall oder eine Kombination
von Metallen darstellt, wobei die Summe der Wertigkeiten gleich 2„ ist), das unter der Wirkung
eines zur magnetischen Feldstärke der Hochfrequenzschwingung senkrechten, modulierenden Feldes
derart polarisiert ist, daß die diesem modulierenden ao und polarisierenden Magnetfeld entsprechende Präzessionsfrequenz
(Lamorsche Frequenz) der die magnetischen Eigenschaften hervorrufenden Elektronen
des ferromagnetischen Mediums annähernd mit der Frequenz der Hochfrequenzschwingung zusammenfällt.
Eine solche Vorrichtung hat einige wesentliche Nachteile. So ergibt sich, daß das polarisierende
Feld eine konstante Komponente enthalten muß, die
das ferromagnetische Medium weitgehend zur Sättigung führt, um die Störwirkungen der innerhalb
des Mediums auftretenden Anisotropiefelder zu beherrschen. Die Größe dieser konstanten Komponente
des Feldes ist ferner proportional zur Frequenz der Hochfrequenzschwingung, so daß für Frequenzen
von z. B. mehr als ioo MHz eine konstante Komponente von einigen tausend Ampere pro Zentimeter
ίο erforderlich ist; zur Erzeugung' dieses Feldes ist
eine wesentliche Gleichstromenefgie oder ein kräftiger Dauermagnet erforderlich. Es ergibt sich ferner, daß eine Modulation des polarisierenden Feldes
nicht nur eine Änderung der Dämpfung, d. h. der imaginären Permeabilität des Mediums, sondern
auch eine wesentliche Änderung der reellen Permeabilität zur Folge hat, so daß, wenn das ferromagnetische
Mittel z. B. in einem von der Hochfrequenzschwingung erregten Hohlraumresonator angebracht ist, dieser Hohlraumresonator bei Modulation
in wesentlichem Maße verstimmt wird, wodurch außer einer Amplitudenmodulation auch
eine Phasenmodulation der Hochfrequenzschwingung auftritt.
Gemäß der Erfindung weist das ferromagnetische Medium einen bei der Frequenz'der Hochfrequenzschwingung
gemessenen spezifischen Widerstand von mehr als 10 Ω · cm und eine durch die innere
Formanisotropie hervorgerufene Vorzugsrichtung der Trennungswände (Blochsche Wände) zwischen
den Weißschen Bereichen auf; ferner weicht die Richtung der magnetischen Feldstärkekomponente
der Hochfrequenzschwingung wesentlich von dieser Vorzugsrichtung ab, und das Vormagroetieierungsfeld
wird maximal von der Größenordnung der Sättigungsfeldstärke des ferromagnetischen Mediums,
so daß seine reelle Permeabilität für die Hochfrequenzschwingung sich im allgemeinen wenig
ändert.
Der Erfindung liegt die Entdeckung der überraschenden Wirkung zugrunde, daß gewisse, auf bestimmte
Weise hergestellte Ferritsorten, wenn sie in einem von einer Hochfrequenzsohwingung erregten
Hohlraumresonator angebracht sind, bei sehr geringer Vormagnetisierung eine wesentliche Abnähme
der Dämpfung des Hohlraumresonators bewirken.
Diese Wirkung tritt, wie festgestellt wurde, nur bei den nahezu nichtleitenden Ferromagnetmetallen
auf, deren bei den erwähnten hohen Frequenzen gemessener spezifischer Widerstand größer als
10 β-cm ist. Dies muß darauf zurückzuführen
sein, daß in einem leitenden ferromagnetischen Material die Oberflächenströme (Hauteffekt) verhüten,
daß ein Hochfrequenzweohselfeld in das Innere des Materials eindringt, während bei den
nichtleitenden Ferriten auch das Innere des Mittels seine Wirkung auf das Hochfrequenzwechselfeld
ausüben kann. Es ergibt sich z. B., daß die üblichen Mn-Zn-Ferrite mit hohem Ferrogehalt, deren bei
Hochfrequenz gemessener spezifischer Widerstand etwa 0,1 Ω ■ cm beträgt, diese Wirkung nicht aufweisen.
Dieser spezifische Widerstand nimmt jedoch stark zu, je geringer der Ferrogehalt im Material
ist, was in bekannter Weise durch angemessene Wahl der bei der Herstellung des Ferrits verwendeten
Gasatmosphäre und Temperatur erreichbar ist.
Es ergibt sich ferner, daß die Wirkung nur auftritt bei sehr hohen Frequenzen, d. Ji. Frequenzen,
die höher sind als die natürliche gyromagnetische Resonanzfrequenz des ferromagnetischen Mittels,
d. i. die Präzessionsfrequenz der die magnetischen Eigenschaften bedingenden Elektronen des Mittels
unter der Wirkung der durch Anisotropien in den Weißschen Bereichen des Mediums erzeugten Magnetfelder.
Unter Weißschen Bereichen werden dabei, wie üblich, die im Medium vorhandenen größten Bereiche mit einer nach der Größe und
Richtung im wesentlichen konstanten Magnetisierung verstanden. Die Weißschen Bereiche sind
durch sehr dünne Blochsche Wände, innerhalb derer die Magnetisierung eine beträchtliche Änderung erfährt,
voneinander getrennt.
Außerdem weisen nur diejenigen Ferritsorten die Wirkung auf, welche durch ein Strangpreßverfahren
hergestellt sind, oder im allgemeinen diejenigen, die infolge einer inneren Formanisotropie eine
Vorzugsrichtung der Trennungswände zwischen den Weißschen Bereichen aufweisen. Letzteres läßt
sich dadurch erklären, daß die Vorzugsrichtung, welche diese Blochschen Wände infolge der Verwendung
des Strangpreßverfahrens aufweisen, anscheinend zur Folge hat, daß das Ferrit eine
Dämpfungsefhöhung für ein Hochfrequenzwechselfeld aufweist, das zu dieser Vorzugsrichtung senkrecht
ist, wobei dann diese Blochschen Wände verschwinden, wenn das Ferrit vormagnetisiert wird.
Es ergibt sich aus Messungen, daß ein geringes Vormagnetisierungsfeld von nur wenigen Ampere pro
Zentimeter erforderlich ist, um die durch das Ferrit herbeigeführten Verluste z. B. um einen Faktor
10 : ι zu ändern, so daß in der Praxis eine Amplitudenänderung
(Modulationstiefe) der Hochfrequenzschwingung von z. B. 90% möglich wird. Die Abstimmfrequenz des Hohlraumresonators bleibt
dann gewöhnlich praktisch konstant. Die Frequenz des Vormagnetisierungsfeldes kann dabei bis auf
einige Megahertz gesteigert werden.
Die Erfindung wird an Hand des Ausführungs- no
beispiels nach den Fig. 1 und 2 des Prinzipbildes nach Fig. 3 und der Modulationskennlinie nach
Fig. 4 näher erläutert.
Fig. ι ist eine Seitenansicht und Fig. 2 eine Draufsicht einer elektromagnetischen Vorrichtung,
durch welche die Erfindung verwirklicht werden kann. Über einen Eingangswellenkanal 1 wird eine
elektromagnetische Schwingung £,· einem Hohlraumresonator
2 zugeführt, dessen Kreisgüte in Abhängigkeit von einer modulierenden Schwingung
geändert wird, so daß in einem Ausgangswellenkanal 3 eine modulierte Schwingung E0 erzeugt
wird. In dem Hohlraumresonator 2 ist ein Ferritstab 5 angebracht, der der Wirkung eines modulierenden
Stroms i unterliegt, welche eine um den Stab 5 angebrachte Vormagnetisierungswicklung 6
durchfließt. Der Hohlraumresonator 2 schwingt in einer Schwingungsform, bei der das Hochfrequenzmagnetfeld
H senkrecht zur Stabachse ist. Er kann mit Hilfe des Knopfes 7 genau auf die Frequenz der
Schwingung Et abgestimmt werden.
Gemäß der Erfindung besteht der Stab 5 aus Ferrit der nahezu nichtleitenden Art, d. h. mit einem
spezifischen Widerstand, der, bei den erwähnten hohen Frequenzen gemessen, größer ist als iofl· cm.
Er besteht z. B. aus einem Ni-Zn-Ferrit mit niedrigem
Ferrogehalt, dessen bei Hochfrequenz gemessener spezifiischer Widerstand etwa ίο5 Ω · cm ist.
Es ist ferner erforderlich, daß der Stab eine durch innere Formanisotropie hervorgerufene Vorzugsrichtung
der Blochschen Wände aufweist. Er kann zu diesem Zweck z. B. in an sich bekannter
Weise durch ein Strangpreßverfahren hergestellt sein. Diese Anforderung scheint sich wie folgt erklären
zu lassen: Ein durch ein Strangpreßverfähren hergestellter Stab weist, wie es in Fig. 3 dargestellt
ist, eine wesentliche Anzahl besonders kleiner Einschließungen 9 einer nichtferromagnetischen Phase,
z.B. Luft, auf (in der Figur sind deutlichkeitshalber nur zwei dieser vielen Einschließungen stark vergrößert
dargestellt), wobei sämtliche Einschließungen in der Richtung der Stabachse gestreckt sein
werden. Das ferromagnetische Medium, d. h. das Medium außerhalb der Einschließungen 9, weist somit
im Innern eine Geometrie auf, die sich in Richtung der Stabachse deutlich von der Geometrie senkrecht
zur Stabachse unterscheidet, d. h. das Medium hat eine anisotrope geometrische Gestalt.
Die Blochschen Trennungswände zwischen benachbarten Weißschen Bereichen des ferromagnetisehen
Mediums, die sich bei Abwesenheit der Einschließungen 9 gemäß der Winkelhalbierungsebene
10 der Richtungen I1 und I2 der spontanen Magnetisierung
in diesen Weißschen Bereichen eingestellt haben wurden, werden sodann vielmehr die kürzesten
Verbindungen 12 zwischen benachbarten Einschließungen 9 zu bilden versuchen und somit eine
mit der Stabachse zusammenfallende Vorzugsrichtung aufweisen, wobei dann jedoch magnetische
Ladungen auf dieser Wand entstehen.
Es liegt auf der Hand, daß ein Hochfrequenzwechselfeld//, das immer die Blochsche Wand derart
zu verschieben versucht, daß Weißsche Bereiche, in denen die Magnetisierung / in Richtung der magnetischen
Feldstärke H erfolgt, auf Kosten von Weißschen Bereichen anwachsen, in denen dies nicht
der Fall ist, für die Verschiebung dieser Wände entgegen der Wirkung dieser magnetischen Ladungen
eine wesentlich größere Energie wird liefern müssen, als wenn die Einschließungen 9 nicht vorhanden
wären oder wenigstens nicht eine so langgestreckte Form hätten.
Infolge eines Vormagnetisierungsfeldes H0, das
mit Hilfe des die Wicklungen 6 durchfließenden Stromes i erzeugt wird, werden sodann die verschiedenen
Weißschen Bereiche mit einer dem Felde H0 entsprechenden Richtung der spontanen
Magnetisierung / mehr und mehr anwachsen, wobei schließlich bei der Sättigungsfeldstärke die Blochschen
Wände zwischen den Weißschen Bereichen ganz verschwunden sind.
In diesem Falle ist daher die Verlustquelle für das Hochfrequenzwechselfeld H unwirksam gemacht,
und der Hohlraumresonator 2 weist eine große Kreisgüte und somit eine hohe Impedanz auf, was
mit der Reflexion eines großen Teiles Er der Eingangsschwingung
Ei einhergeht. Es wird daher gefunden, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, daß die
Amplitude der Hochfrequenzschwingung E0 bereits innerhalb weniger Ampere pro Zentimeter wesentlich
herabsinkt. Infolge der Anbringung eines Abstimmkolbens im Wellenkanal 3 kann erreicht werden, daß
die Amplitude der resultierenden, von dem Hohlraumresonator und dem Kolben zurückgeworfenen
Schwingungen bei einem bestimmten Wert des Vormagnetisierungsfeldes H0, z. B. bei wenigen
Ampere pro Zentimeter gleich Null ist, während die Amplitude ihren Höchstwert hat, wenn
das Feld H0 gleich Null ist. Bei solchen kleinen
Feldern H0 ist die Änderung der reellen Permeabilität
des Stabs 5 für die hohe Frequenz in den meisten Fällen so gering, daß keine störende Phasenmodulation
der Hochfrequenzschwingung auftritt.
Durch Änderung des Vormagnetisierungsfeldes H0
wird daher eine Modulation der Ausgangsschwingung E0 entsprechend der Modulationskennlinie der
Fig. 4 bewerkstelligt. Diese Kennlinie ist über einen wesentlichen Teil nahezu geradlinig, so daß der Modulationsvorgang
auch wenig Verzerrung herbeiführt und ferner das Modulationsfeld H0 bis zu Frequenzen
der Größenordnung von einigen Megahertz gesteigert werden darf, ohne daß die Amplitude der
modulierten Schwingung sich nennenswert mit der Frequenz der Modulationsschwingung ändert. Wird
die Richtung des_yormagnetisierungsfeldes H0 umgekehrt,
so wird eine ähnliche Kennlinie gefunden, wie es in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie angegeben
ist.
Das erforderliche Vormagnetisierungsfeld wird selbstverständlich kleiner, wenn der Ferritstab verlängert
wird, da dann die Entmagnetisierungswirkung der Stirnflächen des Stabs verringert wird.
Schließlich kann der Vormagnetisierungskreis mit einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis ausgebildet
werden.
Nachstehend folgen einige Beispiele der Herstel- no lung eines ferromagnetischen Mediums für die Vorrichtung
nach der Erfindung sowie die mit einer solchen Vorrichtung erhaltenen Meßergebnisse.
Ein Gemisch von 75 g (1 Mol) Nickeloxyd und 160 g (1 Mol) Ferrioxyd wird nach Zusatz von Alkohol
während 16 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen. Nach Filtrierung und Trocknung bei 1100C
wird das Gemisch während 2 Stunden auf 10000C
erhitzt, dann wieder nach dem Zusatz von Alkohol während 16 Stunden in der Kugelmühle gemahlen
und darauf filtriert und getrocknet.
Von diesem Gemisch werden 10 g mit 2 cm Wasser und 300 mg Electrocol (ein teilweise hydroli-
sieites Kartofrelstärkemehlprodukt der Fa.Schalten
in Groningen) während 15 Minuten von Hand geknetet, gegebenenfalls unter Zusatz von einigen
weiteren Wassertropfen, bis eine leicht knetbare Masse erhalten wird. Diese Masse wird in einer
Strangpresse zu einem Stäbchen von 1,57 mm im Durchmesser geformt, von dem von Hand ein
D-förmiger Ring mit einem geraden Stück von etwa 40 mm gebildet wird. Dieser Ring wird in der Luft
ίο getrocknet und dann während 2 Stunden auf 1230° C
in einer Sauerstoffatmosphäre geheizt.
Die am Ring durchgeführten Messungen ergaben folgende Resultate (unter Halbwertbreite wird die
Breite der Resonanzkurve des Hohlraumresonators verstanden, zwischen den Werten, bei denen die
Impedanz bis zur Hälfte des Scheitelwertes herabgesunken ist):
Betriebsfrequenz: 9260 MHz,
Anfangspermeabilität: 17,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz:
Anfangspermeabilität: 17,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz:
> ι ο5 β · cm,
gyromagnetische Resonanzfrequenz: 130 MHz,
Hohlraumresonator dosenförmig, Durchmesser 56 mm, Höhe 15 mm,
Schwingungsform E020,
Schwingungsform E020,
Halbwertbreite Hohlraumresonator ohne Stäbchen:
6 MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei H0 = o: 8,7 MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei H0 = o: 8,7 MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei
H0 = 4 A/cm: 3 MHz,
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = O:
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = O:
— 12 MHz,
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = 4 A/cm:
— 11 MHz.
Ein Gemisch von 750 g (10 Mol) Nickeloxyd, 810g (ioMol) Zinkoxyd und 3200g (20Mol) Ferrioxyd
wird nach dem Zusatz von Wasser während 16 Stunden in einer Kugelmühle gemahlen. Nach
dem Filtrieren und Trocknen bei 1100C wird das
Gemisch während 2 Stunden auf eine Temperatur von ι ooo° C erhitzt, darauf nach dem Zusatz von
Wasser während 16 Stunden in der Kugelmühle gemahlen, filtriert und dann getrocknet.
Von diesem Gemisch werden 10 g auf die in Beispiel ι angegebeneWei.se zu einer plastischen Masse
verarbeitet, aus der mittels einer Strangpresse ein Stäbchen mit einem Durchmesser von 1,62 mm und
einer Länge von 104 mm angefertigt wird, welches während 2 Stunden bei einer Temperatur von
12300 C an Luft geheizt wird.
Die am Stäbchen durchgeführten Messungen ergaben folgende Resultate:
Betriebsfrequenz: 9300MHz,
Anfangspermeabilität μ0: 230,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz: > io5i2 · cm,
Betriebsfrequenz: 9300MHz,
Anfangspermeabilität μ0: 230,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz: > io5i2 · cm,
gyromagnetische Resonanzfrequenz: 15 MHz,
Hohlraumresonator dosenförmig, Durchmesser
56 mm, Höhe 15 mm,
Schwingungsform E020,
Schwingungsform E020,
Halbwertbreite Hohlraumresonator ohne Stäbchen: 6 MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei H0 = o: 22,6MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei H0 = 4 A/cm: 9,4 MHz, '
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = 0:
— 2MHz,
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = 4 A/cm:
— 6 MHz.
Ein Gemisch von 6,4 g rohem Mangankarbonat
(entspricht 0,5 Mol MnO) und 80,1 g (0,5 Mol) Ferrioxyd wird nach Zusatz von Alkohol während
S Stunden in einer Kugelmühle gemahlen, darauf getrocknet und während 2 Stunden bei einer Temperatur
von 9500 C an Luft geheizt. Darauf wird nach Zusatz von Alkohol wieder während 4 Stunden in
der Kugelmühle gemahlen und dann bei no0 C getrocknet,
log dieses Gemisches werden auf die im Beispiel i- angegebene Weise zu einer plastischen
Masse verarbeitet, worauf ein Stäbchen mit einem Durchmesser von 2,2 mm und einer Länge von
40 mm mittels einer Strangpresse angefertigt wird. Dieses Stäbchen wird an Luft getrocknet, langsam
bis auf 3000 C und darauf gleichmäßig bis auf eine Temperatur von 12500 C erhitzt und während 2 Stunden
bei dieser Temperatur in einer nahezu reinen Stickstoffatmosphäre geheizt.
Die am Stäbchen durchgeführten Messungen ergaben folgende Resultate:
Betriebsfrequenz: 9350MHz,
Anfangspermeabilität μυ: 130,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz:
Anfangspermeabilität μυ: 130,
spezifischer Widerstand bei Betriebsfrequenz:
3,io4i3 · cm,
gyromagnetische Resonanzfrequenz: 8 MHz, Hohlraumresonator dosenförmig, Durchmesser
56 mm, Höhe 15 mm,
Schwingungsform E020,
Halbwertbreite Hohlraumresonator ohne Stäbchen:
Schwingungsform E020,
Halbwertbreite Hohlraumresonator ohne Stäbchen:
6 MHz, Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei
H0 = O: 43 MHz,
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei
Beitrag zur Halbwertbreite durch Stäbchen bei
H0 = 30 A/cm: 15 MHz,
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = o: n0
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = o: n0
7 MHz,
Verstimmung Hohlraumresonator bei H0 = 30 A/cm:
70 MHz.
Gleiche in einem Hohlraumresonator für eine Betriebsfrequenz = 3100 MHz mit entsprechend
dickeren Stäbchen durchgeführte Messungen ergaben eine etwa gleiche Änderung der Halbwertbreite des Hohlraumresonators und eine etwa
fünfmal geringere Verstimmung. Bei einer Betriebsfrequenz von 310 MHz werden ähnliche Resultate
gefunden; bei einer Betriebsfrequenz — 22000 MHz fing die Änderung der Halbwertbreite
und daher die Kreisgüte mit dem Vormagnetisierungsfeld abzunehmen an.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform dient nur als Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfin-
dung; der Hohlraumresonator kann auch auf viele ι andere Weisen ausgebildet werden.
Claims (3)
- PATENTANSPRÜCHE:i. Elektromagnetische Vorrichtung für die Amplitudenmodulation einer Hochfrequenzschwingung mit einer Frequenz oberhalb der natürlichen gyromagnetischen Resonanzfrequenz eines in der Vorrichtung angebrachten, nahezu nichtleitenden, ferromagnetischen Mediums, das infolge eines modulierenden Vormagnetisierungsfeldes eine veränderliche Dämpfung der Hohlfrequenzschwingung herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Medium einen bei der Frequenz der Hochfrequenzschwingung gemessenen, spezifischen Widerstand von mehr als ioß-cm sowie eine durch die innere Formanisotropie hervorgerufene, innere Vorzugsrichtung der Blochschen Wände aufweist, daß die Richtung der magnetischen Feldstärke der Hochfrequenzschwingung wesentlich abweicht von dieser Vorzugsrichtung und vorzugsweise senkrecht zu dieser ist, und daß das Vormagnetisierungsfeld höchstens die Größenordnung der Sättigungsfeldstärke des ferromagnetischen Mediums erreicht.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ferritmedium in Form eines Rohres bzw. Stabs, das durch ein Strangpreßverfahren hergestellt ist, so daß die erwähnte Vorzugsrichtung sich mit der Achse des Rohres bzw. Stabs deckt.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rohr- oder stabförmige Ferritmedium in Richtung der Rohr- oder Stabachse vormagnetisiert wird und in einem von der Hochfrequenzschwingung erregten Hohlraumresonator angebracht ist, der in einer Schwingungsform schwingt, wobei die Richtung der magnetischen Feldstärkekomponente der Hochfrequenzschwingung wesentlich von der Richtung der Rohr- oder Stabaohse abweicht.Hierzu 1 Blatt ZeichnungenÖ5465 10.52
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