EP0423853A1 - Antenne plane haute fréquence pour polarisation circulaire - Google Patents
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- EP0423853A1 EP0423853A1 EP90202438A EP90202438A EP0423853A1 EP 0423853 A1 EP0423853 A1 EP 0423853A1 EP 90202438 A EP90202438 A EP 90202438A EP 90202438 A EP90202438 A EP 90202438A EP 0423853 A1 EP0423853 A1 EP 0423853A1
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/065—Patch antenna array
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- H—ELECTRICITY
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
Definitions
- the subject of the present invention is a plane receiving, and / or transmitting antenna, comprising a plurality of radiating pellets for high frequency waves with circular polarization, said radiating pellets being dimensioned and adapted to a preferred frequency from a frequency band.
- each patch having on its periphery four points (N, S, E, O) located like the cardinal points, the said circularly polarized waves being equivalent to two orthogonal waves (OH and OV) linearly polarized, of the same amplitude, quadrature of phase, and whose microwave signals are present on each patch respectively either in N and / or S, or in E and / or O, the said radiating chips being arranged according to a parallelogram and being, or not, connected to each other by a plurality of propagation lines in which said microwave signals of said preferential frequency propagate with a guided wavelength equal to " ⁇ ".
- Such an antenna is in particular intended for the reception of high power satellite television such as TDF1, TDF2, TVSAT, etc.
- the present invention aims to eliminate these drawbacks.
- Such an elementary radiating cell constitutes a preferred embodiment taking into account the minimum surface area which it uses for maximum gain.
- the antenna advantageously comprises a group of two said elementary radiating cells used for a single circular polarization, the two radiating cells being geometrically rotated by 90 ° relative to each other, and physically arranged so that their connection points face each other in order to be connected to a common output by two propagation lines whose length difference is equal to ⁇ / 4.
- an antenna comprises a sub-assembly consisting of two said groups turned geometrically by 180 ° and the two common outputs of which are each connected, by a propagation line of length ⁇ / 2, to a single access.
- an antenna which comprises an assembly consisting of four said subsets supplied in pairs in phase opposition.
- the radiation from the propagation lines is attenuated while further increasing the gain until an antenna of admissible dimensions is obtained to be sold to the general public.
- planar antenna is advantageously produced in micro-ribbon technique comprising three layers, namely: a conductive layer constituting the radiating face produced either by etching a copper strip, or by screen printing with conductive ink, a layer of dielectric substrate whose thickness is relative to the selected frequency band, - a ground plane whose thickness is sufficient for the mechanical rigidity and the fixing of the antenna.
- ⁇ the length of the guided wave in the microstrip
- a parallelogram composed of radiating pellets (PR) is shown in dotted lines; the pellets are connected by propagation lines LV, LH, ... which constitutes an antenna of undetermined size; the parallelogram is not necessarily a rectangle, and its sides can be unequal both in number of pellets and in dimensions of the lines, the lines themselves are not necessarily straight lines.
- This general antenna is arranged to receive (and / or transmit) high frequency waves with circular polarization.
- a wave with circular polarization is equivalent to two orthogonal waves with linear polarization.
- Each patch (PR) has 4 cardinal points (N, S, E, O) where these different waves appear.
- the choice of "i" and the possible sinuosity of the lines (LH) conditions the dimension of the parallelogram.
- the purpose of the LSH lines is to gather at a single point, point H in FIG. 1, the signals present at the end of the LH lines.
- connection of the standard signal processing modules takes place between the ground plane and either point D, either point G, or both simultaneously. It is clearly the same with the emission to emit waves right, left or both. In all cases, the connection is permanent and does not need to be changed or cut even momentarily.
- Figure 2a is practically similar to Figure 1 with only four pads.
- Figure 2b differs only in the arrangement of the square pads. Therefore, the points N, S, E, O are no longer in the middle of the sides but in the corners, however, in all cases, the points N, S, E, O are located on the periphery like the cardinal points .
- the antenna shown in FIG. 2a constitutes a preferred embodiment from which the antennas of the following figures are produced but this is not a limitation, the antenna 2a is called elementary radiating cell.
- the antenna of FIG. 3 comprises two elementary radiating cells to increase the gain and the radiating surface.
- the antenna of FIG. 4 comprises two groups, such as that of FIG. 3, geometrically rotated by 180 ° and whose common outputs SC1 and SC2 are connected by a propagation line of length ⁇ / 2 so as to have only a single access, here SC2 as shown.
- This arrangement of the antenna makes it possible to attenuate the cross component of the radiating pellets while increasing the gain.
- the antenna of FIG. 5 comprises 4 sub-assemblies, such as that of FIG. 4, whose respective single accesses AC1, AC2, AC3, AC4 are supplied in pairs in phase opposition by means of propagation lines arranged to allow the antenna to be connected via a NEX point.
- the antenna of FIG. 5 is suitable for a wave with straight polarization since each elementary radiating cell is connected by its point D.
- the antenna in FIG. 6 is quite similar to it, but this time suitable for a left wave since only the points G are connected.
- the antenna of Figure 7 has four elements as shown in Figure 5, the single outlet (US) is located in the center of the antenna.
- the antenna in Figure 8 is similarly constructed from Figure 6.
- the antenna 7 is suitable for the TDF1 satellite; this satellite transmits at a frequency of 12 GHz which corresponds to a wavelength in the air of 25 mm; with an antenna whose substrate has a thickness of 1.6 mm and a dielectric constant relative to air of 2.2, the propagation lines are dimensioned for a so-called guided wavelength ' ⁇ ' of the order of 19 mm and the square pads are substantially 8 mm on the side; the result is a flat square antenna substantially 300 mm wide.
- the image quality obtained with an antenna is often estimated numerically by the C / N ratio (carrier / noise or carrier / noise) measured at the output of the frequency converter associated with the antenna, the described antenna being pointed at best towards the TDF1 satellite, that is to say facing it, and being associated with a frequency converter of noise factor 1.6 dB, a C / N ratio close to 15 dB can be obtained in the center of France on a clear day.
- C / N ratio carrier / noise or carrier / noise
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Description
- La présente invention a pour objet une antenne plane de réception, et/ou d'émission, comportant une pluralité de pastilles rayonnantes pour ondes haute fréquence à polarisation circulaire, les dites pastilles rayonnantes étant dimentionnées et adaptées à une fréquence préférentielle parmi une bande de fréquences possibles, chaque pastille comportant sur sa périphérie quatre points (N, S, E, O) situés comme les points cardinaux, les dites ondes à polarisation circulaires étant équivalentes à deux ondes orthogonales (OH et OV) polarisées linéairement, de même amplitude, en quadrature de phase, et dont les signaux hyperfréquence sont présents sur chaque pastille respectivement soit en N et/ou S, soit en E et/ou O, les dites pastilles rayonnantes étant disposées selon un parallélogramme et étant, ou non, reliées entre elles par une pluralité de lignes de propagation dans lesquelles les dits signaux hyperfréquence de la dite fréquence préférentielle se propagent avec une longueur d'onde guidée égale à "λ".
- Une telle antenne est notamment destinée pour la réception de la télévision par satellite de forte puissance comme TDF1, TDF2, TVSAT... .
- Une antenne de ce type est décrite dans la demande de brevet PCT publiée sous le numéro Wo 89/02662 ; cette antenne connue comporte des lignes de propagation et un mode de connexion qui ne permet pas la réception simultanée des ondes à polarisation droite et gauche. En outre, l'obtention d'un gain satisfaisant se heurte à des difficultés d'implémentation des lignes de propagation et des connexions de sortie.
- La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients.
- Un antenne conforme à la présente invention est particulièrement remarquable en ce que la dite pluralité de lignes comporte :
- un premier ensemble de lignes horizontales reliant un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2,...
- un deuxième ensemble de lignes verticales reliant un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2,...
- un troisième ensemble de lignes reliant un à un en série les points O (ou E) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à λ + kλ avec k = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point H les énergies additionnées par le dit premier ensemble, le point H étant situé à proximité d'un des coins du parallélogramme,
- un quatrième ensemble de lignes reliant un à un en série les points N (ou S) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à λ + lλ avec l = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point V les énergies additionnées par le dit deuxième ensemble, le dit point V étant choisi à proximité du même coin du parallélogramme que le dit point H,
- et une ligne unique reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que :GH -GV = λ/4 + mλ/2 =DV -DH avec m = 0, 1, 2, ... de telle sorte que le signal d'une onde à polarisation circulaire droite est totalement présent au point D, et que le signal d'une onde à polarisation circulaire gauche est totalement présent au point G. - Ainsi avec un choix judicieux des lignes de propagation et de leur longueur, une antenne plane particulièrement simple à réaliser est obtenue. Il n'y a aucune restriction quant à la forme des lignes, des pastilles et du parallélogramme.
- Préférentiellement, une antenne plane est telle que :
- le dit parallélogramme est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes,
- chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux du parallélogramme,
- les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur λ/2 (i = j = "0"),
- les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que : k = l = m = "0",
pour ainsi constituer une cellule rayonnante élémentaire utilisable pour onde(s) à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que le(s) point(s) de connexion D et/ou G est (sont) connecté(s) ou non. - Une telle cellule rayonnante élémentaire constitue un mode préféré de réalisation compte-tenu de la surface minimum qu'elle utilise pour un gain maximum.
- Afin d'augmenter le gain, avantageusement l'antenne comporte un groupe de deux dites cellules rayonnantes élémentaires utilisées pour une seule et même polarisation circulaire, les deux cellules rayonnantes étant géométriquement tournées de 90° l'une par rapport à l'autre, et physiquement disposées de telle sorte que leurs points de connexion soient en vis à vis l'un par rapport à l'autre pour être reliés à une sortie commune par deux lignes de propagation dont la différence de longueur est égale à λ/4.
- Ainsi le gain est augmenté et la pureté de polarisation est améliorée.
- Pour augmenter encore le gain, une antenne comporte un sous-ensemble constitué de deux dits groupes tournés géométriquement de 180° et dont les deux sorties communes sont reliées chacune, par une ligne de propagation de longueur λ/2, à un unique accès.
- Du fait de cette disposition, la composante croisée des pastilles rayonnantes est considérablement atténuée.
- Enfin il est encore possible de réaliser une antenne qui comporte un ensemble constitué de quatre dits sous-ensembles alimentés deux à deux en opposition de phase.
- Ainsi le rayonnement des lignes de propagation est atténué tout en augmentant encore le gain jusqu'à l'obtention d'une antenne de dimensions admissibles pour être commercialisée dans le grand public.
- En effet une telle antenne plane est avantageusement réalisée en technique micro-ruban comportant trois couches, à savoir :
- une couche conductrice constituant la face rayonnante réalisée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par sérigraphie à l'encre conductrice,
- une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est relative à la bande de fréquence choisie,
- un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la rigidité mécanique et la fixation de l'antenne. - La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples, non limitatifs, de réalisation illustrés par les dessins suivants :
- - la figure 1 représente une antenne selon l'invention,
- - les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes d'antenne comportant 4 pastilles rayonnantes,
- - la figure 3 représente une antenne à 8 pastilles pour polarisation droite,
- - la figure 4 représente une antenne à 16 pastilles pour polarisation droite,
- - la figure 5 représente une antenne à 64 pastilles pour polarisation droite,
- - la figure 6 représente une antenne à 64 pastilles pour polarisation gauche,
- - les figures 7 et 8 représentent une antenne à 256 pastilles.
- Toutes les figures décrites ci-après ne représentent que le plan de la surface rayonnante et des lignes de propagation de la couche conductrice ; les autres couches et la technique de connexion vers les modules de traitement du signal sont standard ; il est seulement à noter que l'adaptation de la dimension des pastilles et de la longueur des lignes de propagation dépend des caractéristiques électriques des différentes couches, notamment de la couche diélectrique : constante diélectrique, tangente de pertes,...
- De ce fait, la longueur de l'onde guidée dans le micro-ruban, appelée "λ" dans la suite, ne peut pas être directement indiquée en fonction de la longueur d'onde dans l'air de la fréquence préférentielle.
- Sur toutes ces figures, les éléments ayant la même fonction sont repérés de manière identique.
- Sur la figure 1, un parallélogramme (PPR) composé de pastilles rayonnantes (PR) est représenté en pointillé ; les pastilles sont reliées par des lignes de propagation LV, LH,...ce qui constitue une antenne de dimension indéterminée ; le parallélogramme n'est pas nécessairement rectangle, et ses côtés peuvent être inégaux tant en nombre de pastilles qu'en dimensions des lignes, les lignes elles-mêmes ne sont pas nécessairement des lignes droites.
- Cette antenne générale est agencée pour recevoir (et/ou émettre) des ondes haute fréquence à polarisation circulaire. Une onde à polarisation circulaire est équivalentes à deux ondes orthogonales à polarisation linéaire.
- Chaque pastille (PR) comporte 4 points cardinaux (N, S, E, O) où apparaissent ces différentes ondes.
- Avec un premier ensemble de lignes horizontales (LH), les points E et O en vis à vis l'un de l'autre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points H1, H2,... . Pour que les signaux soient en phase, il est indispensable que chaque ligne (LH) ait une longueur, entre deux pastilles, égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2,... . Le choix de "i" et l'éventuelle sinuosité des lignes (LH) conditionne la dimension du parallélogramme.
- Similairement, avec un deuxième ensemble de lignes verticales (LV), les points N et S en vis à vis l'un de l'autre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points V1, V2,... . Chaque ligne (LV) a une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2,... "j" n'est pas nécessairement égal à "i".
- Avec un troisième ensemble de lignes brisées LSH, les points H1, H2,... sont reliés un à un en série ; sur la figure 1, les points H1, H2,... sont situés au même endroit que les points O des pastilles situées sur le côté du parallélogramme ; chaque ligne LSH a une longueur égale à λ + κλ avec k = 0, 1, 2,... . Les lignes LSH ont pour but de rassembler en un seul point, le point H sur la figure 1, les signaux présents au bout des lignes LH.
- Similairement, avec un quatrième ensemble de lignes brisées LSV , les signaux présents au bout des lignes LV sont rassemblés au point V. Chaque ligne LSV a une longueur égale à λ + lλ avec l = 0, 1, 2,... .
- Les points H et V sont avantageusement choisis dans un même coin du parallélogramme de telle sorte qu'une ligne unique (HDGV) les relie en passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que :
GH -GV = λ/4 + m λ/2 =DV -DH avec m = 0, 1, 2,... . - Ainsi, à la réception, une onde à polarisation circulaire droite est présente au point D, et une onde à polarisation circulaire gauche est présente au point G. La connexion des modules de traitement standard du signal s'effectue entre le plan de masse et soit le point D, soit le point G, soit les deux simultanément. Il en est clairement de même à l'émission pour émettre des ondes droite, gauche ou les deux. Dans tous les cas, la connexion est permanente et ne nécessite pas d'être modifiée ou coupée même momentanément.
- Les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes de l'antenne de la figure 1. Pour simplifier la représentation, chaque variante ne comporte que quatre pastilles rayonnantes et les lignes de propagation sont représentées en prenant les valeurs minimales, c'est-à-dire : i = j = k = l = m = 0, mais ces valeurs ne sont clairement pas limitatives.
- La figure 2a est pratiquement similaire à la figure 1 avec seulement quatre pastilles.
- La figure 2b ne se différencie que par la disposition des pastilles carrées. De ce fait, les points N, S, E, O ne sont plus au milieu des côtés mais dans les angles, toutefois, dans tous les cas, les points N, S, E, O sont situés sur la périphérie comme les points cardinaux.
- Sur la figure 2c, les pastilles rayonnantes sont rondes et le reste est inchangé.
- Sur la figure 2d, une variante des lignes LSH et LSV a été introduite par rapport à la figure 2a, de ce fait les points H et V ne sont plus respectivement confondus avec les points O et S de la pastille de coin ; cette disposition peut-être avantageuse pour "aérer" la gravure des lignes de propagation. Il est claire que, pour respecter les longueurs des lignes des troisième et quatrième ensembles il faut ici que :
HH ₁ -HH ₀ = λ =VV ₁ -VV ₀, etc... . - L'antenne représentée par la figure 2a constitue un mode de réalisation préférentiel à partir duquel les antennes des figures suivantes sont réalisées mais ceci n'est pas une limitation, l'antenne 2a est appellée cellule rayonnante élémentaire.
- L'antenne de la figure 3 comporte deux cellules rayonnantes élémentaires pour augmenter le gain et la surface rayonnante. Les points de connexion respectifs D1 et D2 sont reliés à une sortie commune SC par des lignes de propagation de longueurs telles que :
SC/D1 -SC/D2 = λ/4
pour tenir compte du fait que les deux cellules sont géométriquement tournées de 90° l'une par rapport à l'autre. Il est en effet avantageux de disposer les deux cellules rayonnantes élémentaires de telle sorte que les points D1 et D2 sont aussi proches que possibles pour éviter des lignes de propagation trop longues, et pour améliorer la pureté de polarisation sur l'unique sortie SC. - L'antenne de la figure 4 comporte deux groupes, tels que celui de la figure 3, tournés géométriquement de 180° et dont les sorties communes SC1 et SC2 sont reliées par une ligne de propagation de longueur λ/2 pour n'avoir qu'un seul accès, ici SC2 tel que représenté. Cette agencement de l'antenne permet d'atténuer la composante croisée des pastilles rayonnantes tout en augmentant le gain.
- L'antenne de la figure 5 comporte 4 sous-ensembles, tels que celui de la figure 4, dont les accès uniques respectifs AC1, AC2, AC3, AC4 sont alimentés deux à deux en opposition de phase au moyen de lignes de propagation agencées pour permettre la connexion de l'antenne par un point NEX.
- L'antenne de la figure 5 est convenable pour une onde à polarisation droite puisque chaque cellule rayonnante élémentaire est connectée par son point D.
- L'antenne de la figure 6 lui est tout à fait similaire, mais cette fois, convenable pour une onde gauche puisque seuls les points G sont connectés.
- L'antenne de la figure 7 comporte quatre éléments tels que représentés à la figure 5, l'unique sortie (US) se trouve au centre de l'antenne.
- L'antenne de la figure 8 est construite similairement à partir de la figure 6.
- Telles que représentées, les antennes 7 et 8 comportent 16x16=256 pastilles rayonnantes reliées à la sortie (US) par les lignes de propagation décrites.
- A titre d'exemple numérique non limitatif, des essais ont montré que l'antenne 7 est convenable pour le satellite TDF1; ce satellite émet à la fréquence de 12GHz ce qui correspond à une longueur d'onde dans l'air de 25 mm; avec une antenne dont le substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique relative à l'air de 2,2, les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite longueur d'onde guidée 'λ' de l'ordre de 19 mm et les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté; il en résulte une antenne plane carrée de sensiblement 300 mm de côté.
- La qualité d'image obtenue avec une antenne est souvent estimée numériquement par le rapport C/N (porteuse/bruit ou carrier/noise) mesuré à la sortie du convertisseur de fréquence associé à l'antenne, l'antenne décrite étant pointée au mieux vers le satellite TDF1, c'est-à-dire face à lui, et étant associée à un convertisseur de fréquence de facteur de bruit 1,6 dB, un rapport C/N voisin de 15 dB peut être obtenu au centre de la France par temps clair.
Claims (8)
caractérisée en ce que la dite pluralité de lignes comporte :
- un premier ensemble de lignes horizontales (LH) reliant un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2,...
- un deuxième ensemble de lignes verticales (LV) reliant un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2,...
- un troisième ensemble de lignes (LSH) reliant un à un en série les points O (ou E) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à λ + kλ avec k = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point (H) les énergies additionnées par le dit premier ensemble (LH), le point (H) étant situé à proximité d'un des coins du parallélogramme,
- un quatrième ensemble de lignes (LSV) reliant un à un en série les points N (ou S) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à λ + lλ avec l = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point (V) les énergies additionnées par le dit deuxième ensemble (LV), le dit point (V) étant choisi à proximité du même coin du parallélogramme que le dit point (H),
- et une ligne unique (HDGV) reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que :
- le dit parallélogramme est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes,
- chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux du parallélogramme,
- les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur λ/2 (i = j = "0"),
- les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que : k = l = m = "0",
pour ainsi constituer une cellule rayonnante élémentaire utilisable pour onde(s) à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que le(s) point(s) de connexion D et/ou G est (sont) connecté(s) ou non.
- une couche conductrice constituant la face rayonnante réalisée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par sérigraphie à l'encre conductrice,
- une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est relative à la bande de fréquence choisie,
- un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la rigidité mécanique et la fixation de l'antenne.
- le dit substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique de 2,2,
- les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite 'λ' de l'ordre de 19 mm,
- les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN ,vol. 4, no. 32 (E-2)(514), 19 mars 1980; & JP-A-55 004 146 (OKI DENKI KOGYO) 12.01.1980 * |
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