DE902634C

DE902634C - Anlage zur UEbertragung von Hochspannungs- und Mikrowellenenergie ueber dieselben Leitungen

Info

Publication number: DE902634C
Application number: DEI3949A
Authority: DE
Inventors: Andre G Clavier; David L Thomas
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1950-03-27
Filing date: 1951-03-25
Publication date: 1954-01-25
Also published as: BE502150A; FR1044629A; US2723378A; GB683353A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenübsrtragungssystem und im besonderen eine kombinierte Hochspannungs- und Mikrowellenübertragungsanlage.

Zusätzlich zu der Übertragung von Mikrowellenenergie über Radioirichtverbindungem, koaxiale Kabel und dielektrische Wellenleiter besteht eine weitere sehr breitbandige Übertragungsmöglichkeit für Mikroiwellenenergie in dem sogenannten Oberflächenwellenleiter, das ist ein metallischer Draht mit einer Isolationsschicht. Durch die Isolationsbadeckung des Drahtes wird das elektromagnetische Feld in seiner Ausdehnung um den Draht stark begrenzt und dicht um den Draht konzentriert. Zum Beispiel hat ein gewöhnlicher, etwa 2 mm starker emaillierter Kupferdraht eine elektromagnetische Feldkonizentration, die sich innerhalb 75 bis 100 mm Radius um den Draht erstreckt und! wobei sich die gesamte Hochfrequenzenergie in diesem Feld fortpflanzt. Diese Oberfiächenwellenleitung hat sehr kleine Verluste und ist praktisch frei von elektrischen und anderen Störungen, solange das konzentrierte elektrische Feld um den Leiter nicht gestört wird.

Die Erfindung gibt weiter Mittel an, um. über das gleiche Leitungssystem gleichzeitig Hochspannungsenergie und Mikrowellenenergie zu übertragen, und zeigt ferner Anordnungen für die Zu-

führung und Abnahme der Mikro-wallenenergie an Hochspannungsleitungen sowie Verstärkeiranordnungen und Abzweigleitungen für die Mikrowellenenergie.

Die erfindungsgemäße Anlage, zur Übertragung von Hochspannungs- und Mikrowellenenergie über dieselben Leitungen ist gekennzeichnet durch diie Verwendung eines· einzigen mit einer Isolierschicht bedeckten Hauptleiters für die Übertragung von ίο zwei Arten elektrischer Energie, wobei die erste Energieform durch den Leiter selbst und die zweite Energieform gemäß einem Wellenmodus über ein den. Leiter umgebendes elektromagnetisches Feld übertragen wird, dessen Radius um den Leiter durch die Stärke (Durchmesser) des Leiters und die Isolationsfähigkeit und Dicke der auf den Leiter aufgebrachten Isolation bestimmt wird.

Ausführungsbaispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. ι zeigt eine schematische Schaltung eines kombinierten Hochspannungs- und Mikrowellenübertragungssystems ;

Fig. 2 und 3 zeigen im Längsschnitt zwei Formen von Energiateiktngsleitungen für die Zuführung und Abnahme von Mikrowellenenergie an eine Hochspannungsleitung;

Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 der

Fig. 3;

Fig. 5 zeigt eine andere Ausbildungsform eines Übertragungsteilers für die gerichtete Übertragung von Mikrowellenenergie;

Fig. 6 ist ein Querschnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 5;

Fig¹· 7 zeigt im Längsschnitt ein Hochpaßfilter für die Trennung der Hochspannung oder Niederfrequenzenergie von der Mikrowellenenergie;;

Fig. 8 zeigt im Längsschnitt ein Tiefpaßfilter;

Fig. 9 zeigt imLängsschnitt ein Hochspanimingstrennfilter, und

Fig. 10 zeigt eine schematische Schaltung eines weiteren Ausführungsbai Spieles eines Abzweigkanals.

In Fig. ι der Zeichnung ist ©in kombiniertes Leistungs- und Mikrowellenübertragungssystem dargestellt. 1 zeigt eine HochspaninungsqueMe mit einer Hochspannungsübertragungsleitung, bestehend aus den drei Leitern 2, 3 und 4 für dreiphasigen Wechselstrom. Die Erfindung ist selbstverständlich auch bei anderen Leistungsleitungen, wie z. B. für einphasigen Wechselstrom oder hochgespannten Gleichstrom, anwendbar.

Mit einem Leiter der Hochspannungsleitung ist ein Mikröweillenübartragungssystem verbunden, welches einen einzigen isolierten, Leiter für die Übertragung benötigt. Ein Endpunkt des MikrowellenübertriagungBsystems besteht aus einem Sender 5, einem Empfänger 6, eimern Tiefpaßfilter 7 für die Senderverbindung und einem Hoehpaßfilter 8 für die Empfängerverbindung. 7 und 8 sind im wesentlichem Richtungsfilter. Mit den Filtern 7 und 8 sind zwei Abzweigleitungen 9 und 10 einer Mikrowellemübertragungsleitung verbunden, welche an dem Verbindungspunkt 11 in einen einzigen Leiter 12 übergehen!. Der Leiter 12 ist mit dein Hochspannungsleiter 2 über ein Bandpaßfilter und¹ HochspaJiniungsteennistufe 13 und die Übertragungsleitung 14 verbunden. Der Leiter 14 ist an dem Verbindungspuniit 15 unter einem spitzem. Winkel 16 mit dem Leitern verbunden, so daß die längs der Leitung 14 übertragene Hochfrequenzenergie entlang der Hochspannungsleitung in der gewünschten Richtung fortgepflanzt wird, d. h, in der Richtung des Scheitels des spitzen Winkels 16. Der Leiter 2 ist vom Verbindungspunkt 15 an ebenfalls isoliert, wie durch die Isolation 17 gezeigt ist, und zwar über die Länge, über die die Mikrowellenieniergie längs der Hochspannungsleitung übertragen werden, soll.

Die Mikrowallenübertragung längs der Hochspannungsleitung¹ 2 erfolgt bis zu einem Punkt, wo das ■ Mikroiwellenisignal von der Hochspannungsleitung abgenommen wird. Wenn die Entfernung groß ist, können ein oder mehrere Verstärker für die Verstärkung der Mikrowallenenergie vorgesehen sein. Es kann auch erforderlich sein, einen Signalkanal des Mi'krowellenbandes an bestimmten Punkten längs dteir Leitung abzuzweigen. Die in Fig. ι gezeigte Anlage zeigt eine Ausbildungsform eines Verstärkers 18 für die Verstärkung der Mikroiwellenenierigie, der mit der Hochspannungsleitung verbunden ist, und zeigt auch einen Abzweigkanal 19. Fig. 1 zeigt nicht die¹ Endstelle¹ für das Mikrowellensignal, welche jedoch praktisch gleich der Sender-Empfänger-Anordnung 5, 6 ausgerüstet sein kann.

Der Verstärker 18 besteht aus zwei Hochpaßhochspannungstrennfiltem 20 und 21, die mit dem Hocbspannungsleitar 2 über Verbindungspunkte 22 und 23 gekoppelt sind. Der Leiter 2 bleibt zwischen den zwei Verbindungspumkten 22 und 23 blank, erhält ailso> keine Isolation, so daß sich die Mikrowellenenergie längs, den mit den Filtern 20 und 21 verbundenem Übertragumgsleitungen fortpflanzen wird. Die LeiterrichtJungen an den Verbindungspunkten sind so gewählt, daß die MikröweHenfortpflanzung in dar gewünschten Richtung mit minimalem Energiewarlüst erfolgt.

Der Übeirtragungsldter 24 an der Verstärkerseite des Filters 20 gabelt sich am Punkt 215 in zwei Zweige 26 und 27. Der Leiter auf dar Verstärkerseite vom Filter 21 ist gleichfalls in dia Zweige 28 und 29 aufgeteilt. Die Leiter 27 und 29 sind miteinander und mit einem Mikrowellenverstärker 30 verbundön, welcher vorzugsweise ein Wanderfaldverstärkeir ist, obgleich auch irgendein anderer Hochfrequenzverstärker verwendet werden kann. Die anderen¹ Zweige 26 und 28 sind mit dem Ausgang des Verstärkars entsprechend über ein Tiefpaßfilter 31 und ein Hochpaßfilter 32 ver- iao bunden. Auf diese Weise wird die Mikrowellenenergie sowohl vom unteren wie auch vom oberen Frequenzband! in demselben Verstärker 30 verstärkt. Dia Übertragungsrichtung der zwei Frequenzbänder wird jedoch durch die Hochpaß- und Tiefpaßfilter 31 und 32 gesteuert. In dem Fall

jedoch, wo für jede Übertragungsrichtung¹ je ein getrennter Leiter verwendet wird und jede Übertragungsrichtung dasselbe Frequenzband einnimmt, muß für jede Übertragungsrichtung ein getrennter Verstärker vorgesehen werden,

Für jeden Abzweigkanal sind zwei Hochpaßhochspannungstrennfilter 33 und 34 mit der Hochspannungsleitung 2 verbunden, so daß die Mikrowellenenergie vom Leiter 2 in den Abzweigkanal abgeleitet wird. Der Leiter 3.5, welcher mit dem Filter 33 verbunden ist, ist in die Zweige 36 und 37 aufgeteilt, während der Leiter 38 vom Filter 34 in die Zweige 39 und 40 aufgespalten ist. Die Zweigleitungen 36 und 39 sind mit einem Hochpaßfilter 41 verbunden, welches nur -das obere Frequenzband durchläßt und das untere Frequenzband, welches die unteren auszuscheidenden! Frequenzen einschließt, sperrt, aber die einzufügenden Frequenzen durchläßt. Die Zweige 37 und 40 sind mit einem anderen Hochpaßfilter 42 verbunden, welches alle Frequenzen oberhalb der auszuscheidenden durchläßt. Mit der Leitung 37 ist ein Tiefpaßfilter 43 verbunden, welches nur denjenigen Teil des unteren Frequenzbandes durchläßt, der auszuscheiden ist.

Ein einziger Abzweigkanailleiter 44, der über Hochpaß- und Tiefpaßfilter 45 und 46 bis zu einer Sender-Empfänger-Kombination 5^ 6^A verläuft, ist in zwei Zweige aufgeteilt, die entsprechend! mit dem Tiefpaßfilter 43 und mit dem Hochpaßfilter 41 auf der Seite der Leitung 39 verbunden ist.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß eine Hochspannungsübertragungsleitung für die Übertragung von Mikrowellenenergie mittels Oberflachenwdlenteiitung verwendet werden kann. Die Mikrowellenenergie kann auch von dem Hochspannungsleiter abgenommen und für Verstärkungszwecke von, der Hochspannungsenergie isoliert werden und kann, wenn gewünscht, für die Ausscheidung gewisser Teile bzw. Kanäle des Frequenzbandeis und für die Einfügung anderer Frequenzen oder Kanäle in das Übertragungsband aufgeteilt werden.

Obgleich die Anlage für ein System mit Frequenzaufteilung beschrieben; ist, ist das Verfahren der Erfindung auch für andere Formen der Mehrfachübertragung geeignet.

In den Fig. 2, 3 und 4 ist die Art der Verbindung einer Mikrowellenüibertragungsleitung mit einer Hochspannungsleitung gezeigt. Fig. 2 zeigt eine Verbindungsart:, wie sie bei 15 in Fig. 1 angewendet ist. Der Leiter 14 schmiegt sich dem Hochspannungsleiter 2 in der gewünschten Richtung derMikrowelilenübertragung an. Die Isolation kann konstante Dicke auf den Leitern haben;, die die Mikrowellenenergie übertragen. Die Isolation wird jedoch vorzugsweise an der Verbindungsstelle verändert, wie in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt ist. Auf der Seite des Mikrowellenleiters, welche mit der blanken Hochspannungsleitung verbunden ist, wird die Isolation benachbart dem blanken Leistungsleiter in dünner Schicht aufgebracht, wie bei, 47 angegeben ist, und entsprechend auf der entgegengesetzten Seite der Leitung verdickt aufgebracht, wie bei 48 angegeben ist. Diese Abänderung der Isolatiomsdicke bewirkt, daß das elektromagnetische Feld auf der dem blanken Leiter abgewendöten Seite dös MikroweUenleiters konzentriert wird. Wenn die Isolation so ausgebildet wird, tritt eine geringere Abstrahlung der Hochfrequenzenergie auf. Wenn die Isolation sich nach außen auf einen Teil dös· blanken Leiters erstrecken würde, würde ein größerer Hochfrequenzenergiebetrag von dem gewünschten Weg abgeleitet werden und durch Abstrahlung verlorengehen. Durch die Anschmiegung der Mikrowellenübertragungsleitung in der gewünschten Richtung an den Leiter 2 wird außerdem die Störung der Mikrowellenfortpflanzung minimal.

In den Fig. 3 und 4 ist der Mikrowellenleiter ΐ4^Λ gezeigt, der von der Hochspannungsleitung 2 abgeht, wie beispielsweise am Verbindungspunkt 22 in Fig. i. In diesen zwei Figuren ist die Abänderung der Isolationisdicke zum Zwecke der Strahlungsverminderung der Mikrowellenenergie bei 47 und 48 auch angegeben.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine MikroweMenübertragungsleitung, die wie an dem Verbindungspunkt 11 in Fig. 1 geteilt ist. Diese Verbindungsart ist als ein Richtungsteiler aufgebaut, damit die Energie in eine gewünschte Richtung geleitet wird. Der Leiter 12 ist in zwei Schenkel 9 und 10 geteilt, wobei sich die Schenkel allmählich trennen, wie in der Zeichnung- angegeben, ist. Die Isolation um die Leiter an der Verbindungsstelle wird vorzugsweise an der Verbindungsstelle vergrößert, wie bei: 49 angegeben, und setzt sich mit: vergrößerter Dicke auf den äußeren Saiten der Leiter entgegengesetzt den benachbarten Leiterflächen fort, wie bei 50 angegeben ist. Entlang den sich einander gegenüberliegenden Oberflächen der Leiter wird¹ die Isolation zu einem dünnen Film, wie bei 51 gezeigt ist. Dadurch entsteht eine Richtungscharakteristik der Leitung. Signal energie von diar Leitung 12 wird über die zwei Abzweigleitungeng und 10 übertragen. Eine über die Leitung 9 ankommende Signalenergäe wird nach der Leitung 12 weitergeleiteit, nicht jedoch nach der Leitung 10. In gleicher Weise wird eine über die Leitung 10 ankommende Signalenergie auf die Leitung 12 weiter übertragen, nicht jedoch auf die Leitung 9. no

In Fig. 7 ist eines dar Hochpaßfilter gezeigt, wie sie in Fig. 1 an den Stellen 8, 31, 41, 42 und 45 verwendet sind. Dieses Filter besteht aus einem Wellenileiterteil 52, der einen Körper aus dielektrischem Material 53 einschließt, welcher sich aus den Enden, des Wellenleiters heraus erstreckt. Der Wellenleiter kann !irgendeine gewünschte Querschnittsform haben. Vorzugsweise ist er jedoch rund, da ein Wellenleiter mit rundem Querschnitt und einem Wellenmodtis TE₁₁ oder TM₀₁ die einfachst© Übertragungsfonm auf die Obernäehenwellenileiitung darstellt. Die heraussagenden Enden des dielektrischen Körpers 53 sind auf die Isolationsstärke der Leiter 54, 54⁴ verjüngt, welche ein kurzes Stück in den dielektrischen Körper und den Wellenleiter hineinragen. Dadurch, daß die

Leiter 54, 54·⁴ ein kurzes Stück in den Wellenleiter hineinragen, wird die Mikrowellenenergie in den Wellenleiter übertragen, längs welchem sie¹ entsprechend dem Wellenmodus fortgepflanzt wird, welcher natürlich von der Querschnittsform des Wellenleiters abhängt. Beide Enden des Filters können identisch sein. Die Verdickung der Isolation beim Übergang in den dielektrischen. Körper verringert die Ausdehnung des elektromagnetisehen Feldes um die Leiter 54, 54^ auf einen Durchmesser, der dem Durchmesser oder der Ouerschnittsabmessung des verwendeten Wellenleiters entspricht. Der Wellenleiterteil arbeitet als ein Filter, da die Abmessung des Wellenleiters die Grenzfrequenz desselben bestimmt. Die untere Grenzfrequenz des Filters entspricht so der unteren Grenzfrequenz eines mit Dielektrikum gefüllten Wellenleiters und wird aus den Abmessungen und Materialien des Wellenleiters und des gewünschten verwendeten Wellenmodus bestimmt. Am Ausgangsende des Filters wird der dielektrische Körper auf die Dicke der Isolation herabgesetzt, welche die Übertragungsleitung bedeckt, wodurch das elektromagnetische Feld wieder' einen optimalen Durch- messer bezüglich Störungen und Übertragungsverlusten annimmt.

In Fig. 8 ist eines der Tiefpaßfilter gezeigt, wie sie bei 7, 32,43 und 46 in Fig. 1 verwendet werden. Dieses Filter besteht aus einem Stab 56, welcher im Durchmesser mit dem Leitungsdraht übereinstimmt oder auch entsprechend der Charakteristik des Filters von unterschiedlichem Durchmesser sein kann. Auf dem Stab 56 sind leitende Platten oder Scheiben 57 mit Abstand periodisch aufgebracht. Die obere Grenzfreqüenz dieses Filters ist angenähert gegeben durch die Formel

Xc

wobei d der Abstand zwischen benachbarten Platten, und λ c die Grenz.frequenzwellenlänge ist. Die Stange und die Platten brauchen nicht isoliert zu sein, eine Bedeckung aus dielektrischem Material verringert jedoch den Betrag das äußeren Feldes. Die äußeren Platten des Filters werden allmählich im Durchmesser auf eine Größe reduziert, die etwas größer als der Durchmesser der Stange ist, um plötzliche¹ Veränderungen, im Weg der Well enfortpflanzung klein zu halten und dadurch Reflexionen und eine unerwünschte Dämpfung zu vermeiden.

Die Mikrowellenübertragungsleitungen sind vorzugsweise mittels eines Koaxialleitungsteiles oder Wallenleitungsteiiles mit dem Sender und: Empfänger gekoppelt, wie eis schematisch bsi 58 in Fig. ι dargestellt ist. Der Wellenleiter oder der Außenleiter der Koaxialleitung ist dabei mit einem aufgebogenen Hornteil versehen, um die Mikrowellenenergie¹ auf den Eindrahtleiter zu übertragen oder umgekehrt.

In Fig. 9 ist ein Hochpaßhochspannungstrennfilter dargestellt, wie es an den Stellen 13,20,21,33 und 34 in Fig. ι Verwendung findet. Das Filter ist ähnlich dem in Fig. 7 gazeigten Hochpaßfilter ausgebildet und beisteht aus einem Wellenleiterteil 59, innerhalb welchem ein dielektrischer Körper 60 vorgesehen ist, der aus den Enden des Wellenleiters heraus ragt. Die Übertragungsleiter 61 und 62 sind in den dielektrischen Körper eingebettet und ragen mit ihren Enden ein kurzes Stück in den Wellenleiter hinein. Die Abmessungen des Wellenleiters sind soi gewählt, daß dar Wellenleiter das vollständige MikroweUenfrequenzband durchläßt. An einem Ende ist ein Hochspannungs isolator 63 von im allgemeinen konischer Form vorgesehen. Er weist Sperrflansche 64 auf, die sich kreisförmig um den Isolator erstrecken. Dieser Isolator ist an einem Ende deis Wellenleiters 59 durch Stifte 65 in der Wand des Wellenleiters befestigt. Der Hoch-Spannungsisolator bildet eine Sperre für die hochgespannte Leistungsenargie und hat gleichzeitig eine minimale Dämpfung für den Fluß der Mikrotwellenenergie. Der dielektrische Körper 60 wird allmählich nach dem Isolator 63 zu verjüngt, wie bei 66 angegeben. Durch geeignete Verjüngung dieses Teiles des Körpers 60 wird der Einfluß des Isolators 63 auf die Mikrowellenenergie¹ kompensiert.

In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abzweigkanals gezeigt, der mit der Übertragungsleitung über Hochspannungssperren verbunden werden kann. Der Leiter 35 ist ähnlich wie in Fig. ι in zwei Zweige 67 und 68 aufgeteilt, während der Leiter 38 in diei Leiter 69 und 70 aufgeteilt ist. Die Zweigleitungen 67 und 69 sind mit einem Hechpaßfilter 71 verbunden, welches so aufgebaut ist, daß es alle Frequenzen durchläßt, außer dem auszuscheidenden Niederfrequenzband. Die Abzweigleitung 68 ist mit einem Tiefpaßfilter JZ verbunden., welches, nur die Niedeirfrequenzsignale durchläßt, die in dem Abzweigempfänger 73 empfangen werfen, sollen. Die Abzweigleitung 70 ist mit einem Hoehpaßfilteir 74 verbunden, -welches nur jene Hochfrequenzsignalei durchläßt, die von dem Sender 75 ausgesandt werden,. Die Filter 72 und 74 sind mit einem einzigem Oberflächenwellenleiter j6 verbunden, welcher über einen Leitungsteiiler JJ und ein Hochpaßfilter 78 mit dem Sender 75 und über ein Tiefpaßfilter 79 mit dem Empfänger 73 no verbunden ist. Die Filter 72, 74, 78 und 79 sind vorzugsweise so> gewählt, daß das auszuscheidende Frequenzband die untersten Frequenzen des gesamten über die Leitung 2 in Fig. 1 zu übertragendem Bandes sind, während die von dem Abzweigkanal ausgeisandten Frequenzen die höchsten Frequenzen des übertragenen Hochfrequenzbandes darstellen. Es wird jedoch klar sein, daß die auszuscheidenden und einzufügenden Frequenzen irgendwelcba vorbestimmten Frequenzbänder innerhalb das gesamten Übertragungsbandes sein; können, wenn die Trennfilter entsprechend aufgebaut werden. Die Abzweigleitungen 68 und 701 sind mit dam Über-tragungssystem durch Richtungsteitar 80 und 81 verbunden, wobei die Riehtung der Fortpflanzung des auszuscheidenden

Kanals und; die Richtung der Fortpflanzung- des eingefügten Kanals mindestens zum TeM durch die Riehtungsteiler bestimmt wird.

Claims

Patentansprüche =

1. Anlage zur Übertragung von Hochspannungs- und Mikrowellenenergie über dieselben.

ίο Leitungen, gekennzeichnet durch die Verwendung eines einzigen! mit einer Isolierschicht bedeckten Hauptleiters für die Übertragung von zwei Arten elektrischer Energie, wobei die erste Energieform durch den Leiter selbst und die zweite Energieform gemäß einem Wellenmodus über ein den Leiter uimgebenidas elektromagnetisches Feld übertragen wind, dessen Radius um den Leiter durch die Stärke (Durchmesser) dies Leiters und die Isolationsfähigkeit und Dicke der auf den Leiter aufgebrachten Isolation bestimmt wind.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Übertragung von niederfrequentem, insbesondere hochgespanntem Kraftstrom und hochfrequentem Signal strom übar die Hauptleitung.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein dielektrischer Wellenleiter für die Übertragung nur der zweiten Energieform mit dem Hauptleiter zur Zuführung bzw. Abnahme der zweiten Energieform verbunden ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Wellenleiter unter einem spitzen Winkel mit dem Hauptleiter verbunden ist, wobei der Scheitel des Winkels ini Richtung dar isolierten, Länge: des Hauptleitens zeigt, über welchen hochfrequenter Signalstrom übertragen wird (Fdg. 2 und 3).

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptfeiter nur über die Länge, über welche hochfrequente Energie übertragen werden soll, mit einer Isolierschicht bedeckt ist und daß die Isolierschicht über dem dielektrischen Wellenleiter und: dem Hauptleiterteil auf der Seite der Leitung, nach welcher sich der blanke Hauptileiter erstreckt, in der Dicke reduziert ist (Fig. 2 und 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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