EP0991137A1 - Method for expanding the radiation pattern of an antenna and antenna using this method - Google Patents

Method for expanding the radiation pattern of an antenna and antenna using this method Download PDF

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EP0991137A1
EP0991137A1 EP99402347A EP99402347A EP0991137A1 EP 0991137 A1 EP0991137 A1 EP 0991137A1 EP 99402347 A EP99402347 A EP 99402347A EP 99402347 A EP99402347 A EP 99402347A EP 0991137 A1 EP0991137 A1 EP 0991137A1
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radiation
radiation pattern
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EP99402347A
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Inventor
Claude Aubry
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array

Definitions

  • the present invention relates to a method of enlargement of the radiation pattern of an antenna, and to an antenna putting it in action.
  • the invention applies in particular to array antennas with phase controlled electronic scanning.
  • the desired widening is generally obtained by applying a signal to their radiating elements whose phase from normal to opening towards the periphery of this aperture follows a law of quadratic variation.
  • This technique gives results all the better as the law of evolution of the amplitude of the signal, considered in the same way as the phase, has a Gaussian appearance.
  • the main lobe of the enlarged diagram presents oscillations which can be detrimental to the correct antenna operation.
  • SILVER Microwave antenna theory and design
  • inverting using mechanical means (translation of a quarter wavelength of part of the reflector) the phase of the radiated field on the corresponding part of the radiating opening, thus allowing to obtain a radiation diagram with a “sectoral” appearance.
  • the indications provided are purely qualitative and therefore do not allow get an idea, even approximate, of the performances to which we can expect.
  • the subject of the present invention is a method allowing, for an antenna whose phase variation law can be controlled by function of the angular distance of the radiating elements to the axis, to widen in a simple way the radiation diagram, without risk of appearance oscillations, especially in the main lobe of the radiation.
  • the present invention also relates to an antenna with electronic phase control scanning with diagram of extended radiation, this antenna being simple to produce and no more expensive than a similar antenna with a non-enlarged diagram.
  • the method according to the invention consists in determining, at inside the outline of the radiating opening of the antenna, a second homothetic outline of it and concentric, and to apply to elements inside the second contour of the signals having a first phase given as a function of the desired beam deflection radiated, and to those lying between the two contours an offset phase 180 ° from the first.
  • the invention is described below with reference to a network antenna of elliptical aperture electronic scanning radar but it's of course that it is not limited to this single application, and that it can be implemented for antennas of equipment other than radars, operating at frequencies which may be very different from those radars (for example sonars) provided that these antennas have radiating elements whose control signals may have different phases depending on the radiating elements.
  • the networks constituting these antennas can be periodic or not.
  • the opening of these antennas may not be elliptical: it may example be circular or rectangular, for example.
  • Figure 1 there is shown in Figure 1, in a simplified manner, the outline elliptical 1 of the opening of a radar array antenna.
  • the process of the invention aims to solve the following problem. It's about finding the parameter on which we can act and how to act on this parameter for simultaneously satisfy the following three conditions: distribution evenness of the field over the entire section of the opening, diagram the as flat as possible near the beam axis and antenna gain maximized.
  • the parameter on which one acts is the phase of the signals sent to the different radiating elements of the antenna and the manner of acting on this phase is as follows.
  • an ellipse 2 (figure 1) homothetic to ellipse 1, smaller than the latter and concentric with it.
  • all the radiating elements located inside the ellipse 2 receive signals having the same phase ⁇ 1
  • the real nature of the law of illumination ensures a slope the main lobe flank markedly more accentuated than that produced a variable phase law. None of these properties can be obtained with the art radiation pattern enlargement processes previous (except for cases of small enlargements, significantly lower than a multiplying factor of 2, which is practically of no interest).
  • the process of the invention is particularly advantageous if the distribution of the field of the antenna opening is equiamplitude, as it is by example the case for a network antenna with active modules in class C, in emission regime.

Abstract

The phased array antenna angular extent method switches a circular or elliptical beam from a first (2) inner angular extent to a second (1) outer angular extent following the same contour. The radiation pattern is improved from that previously available by changing the relative phase shift of the outer elements controlling the radiation in the increased radiation zone by a phase shift of 180 degrees.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne, et à une antenne le mettant en oeuvre.The present invention relates to a method of enlargement of the radiation pattern of an antenna, and to an antenna putting it in action.

L'invention s'applique en particulier aux antennes-réseau à balayage électronique à commande de phase. Lorsque l'on désire élargir le diagramme de rayonnement de telles antennes, l'élargissement désiré est généralement obtenu en appliquant à leurs éléments rayonnants un signal dont la phase depuis la normale à l'ouverture vers la périphérie de cette ouverture suit une loi de variation quadratique. Cette technique donne des résultats d'autant meilleurs que la loi d'évolution de l'amplitude du signal, considérée de la même façon que la phase, a une allure gaussienne. Par contre, si cette loi de variation de l'amplitude est uniforme, le lobe principal du diagramme élargi présente des oscillations pouvant être préjudiciables au fonctionnement correct de l'antenne.The invention applies in particular to array antennas with phase controlled electronic scanning. When you want to expand the radiation pattern of such antennas, the desired widening is generally obtained by applying a signal to their radiating elements whose phase from normal to opening towards the periphery of this aperture follows a law of quadratic variation. This technique gives results all the better as the law of evolution of the amplitude of the signal, considered in the same way as the phase, has a Gaussian appearance. Through against, if this law of variation of the amplitude is uniform, the main lobe of the enlarged diagram presents oscillations which can be detrimental to the correct antenna operation.

Par ailleurs, on peut montrer qu'on ne peut annuler la courbure axiale du diagramme de rayonnement (courbure au voisinage de l'axe du faisceau de l'antenne), c'est-à-dire annuler le terme à la puissance 2 de l'expression mathématique de la loi de variation de ce diagramme, puisque, du fait de la symétrie des antennes utilisées, les termes impairs n'existent pas dans cette expression mathématique, c'est-à-dire encore qu'on ne peut obtenir un diagramme de rayonnement dont la loi de variation en fonction de la distance angulaire à l'axe ne contienne pas de termes à la puissance 2 (cette loi de variation serait alors, à peu de chose près, du 4è degré) qu'en annulant les variations du gain axial. Dans le chapitre 13 de l'ouvrage de référence de S. SILVER « Microwave antenna theory and design », décrivant différentes techniques de « façonnage » du diagramme de rayonnement d'une antenne à réflecteur, il est fait état d'une méthode consistant à inverser, à l'aide d'un moyen mécanique (translation d'un quart de longueur d'onde d'une partie du réflecteur) la phase du champ rayonné sur la partie correspondante de l'ouverture rayonnante, permettant ainsi d'obtenir un diagramme de rayonnement d'allure « sectorale ». Les indications fournies sont purement qualitatives et ne permettent donc pas de se faire une idée, même approchée, des performances auxquelles on peut s'attendre.Furthermore, we can show that we cannot cancel the curvature axial of the radiation pattern (curvature near the axis of the antenna beam), i.e. cancel the term at power 2 of the mathematical expression of the law of variation of this diagram, since, due to the symmetry of the antennas used, the odd terms do not exist not in this mathematical expression, that is to say again that we cannot obtain a radiation diagram whose law of variation as a function of the angular distance to the axis does not contain terms to the power 2 (this law of variation would then be, more or less, of the 4th degree) that canceling variations in axial gain. In chapter 13 of the work of reference from S. SILVER "Microwave antenna theory and design", describing different techniques of "shaping" the diagram radiation from a reflector antenna, a method is reported consisting of inverting, using mechanical means (translation of a quarter wavelength of part of the reflector) the phase of the radiated field on the corresponding part of the radiating opening, thus allowing to obtain a radiation diagram with a “sectoral” appearance. The indications provided are purely qualitative and therefore do not allow get an idea, even approximate, of the performances to which we can expect.

La présente invention a pour objet un procédé permettant, pour une antenne dont on peut commander la loi de variation de phase en fonction de la distance angulaire des éléments rayonnants à l'axe, d'élargir de façon simple le diagramme de rayonnement, sans risque d'apparition d'oscillations, en particulier dans le lobe principal du diagramme de rayonnement.The subject of the present invention is a method allowing, for an antenna whose phase variation law can be controlled by function of the angular distance of the radiating elements to the axis, to widen in a simple way the radiation diagram, without risk of appearance oscillations, especially in the main lobe of the radiation.

La présente invention a également pour objet une antenne à balayage électronique par commande de phase présentant un diagramme de rayonnement élargi, cette antenne étant simple à réaliser et pas plus onéreuse qu'une antenne similaire à diagramme non élargi.The present invention also relates to an antenna with electronic phase control scanning with diagram of extended radiation, this antenna being simple to produce and no more expensive than a similar antenna with a non-enlarged diagram.

Le procédé conforme à l'invention consiste à déterminer, à l'intérieur du contour de l'ouverture rayonnante de l'antenne, un second contour homothétique de celui-ci et concentrique, et à appliquer aux éléments se trouvant à l'intérieur du second contour des signaux ayant une première phase donnée fonction de la déviation désirée du faisceau rayonné, et à ceux se trouvant entre les deux contours une phase décalée de 180° par rapport à la première.The method according to the invention consists in determining, at inside the outline of the radiating opening of the antenna, a second homothetic outline of it and concentric, and to apply to elements inside the second contour of the signals having a first phase given as a function of the desired beam deflection radiated, and to those lying between the two contours an offset phase 180 ° from the first.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :

  • la figure 1 est une vue en plan du contour d'une antenne à ouverture elliptique, montrant le contour virtuel d'une ellipse homothétique du contour de l'ouverture, définissant le lieu géométrique des sauts de phase entre éléments rayonnants voisins, conformément au procédé de l'invention, et
  • la figure 2 est un ensemble de divers diagrammes de rayonnement, montrant les avantages de celui obtenu par le procédé de l'invention par rapport à ceux obtenus par les procédés connus.
The present invention will be better understood on reading the detailed description of an embodiment, taken by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawing, in which:
  • FIG. 1 is a plan view of the contour of an antenna with elliptical opening, showing the virtual contour of a homothetic ellipse of the contour of the opening, defining the geometric location of the phase jumps between neighboring radiating elements, in accordance with the method of the invention, and
  • Figure 2 is a set of various radiation diagrams, showing the advantages of that obtained by the method of the invention compared to those obtained by the known methods.

L'invention est décrite ci-dessous en référence à une antenne-réseau de radar à balayage électronique à ouverture elliptique, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour des antennes d'équipements autres que des radars, fonctionnant à des fréquences pouvant être très différentes de celles des radars (par exemple des sonars) à condition que ces antennes comportent des éléments rayonnants dont les signaux de commande puissent avoir des phases différentes selon les éléments rayonnants. Les réseaux constituant ces antennes peuvent être périodiques ou non. L'ouverture de ces antennes peut ne pas être elliptique : elle peut par exemple être circulaire ou rectangulaire, par exemple.The invention is described below with reference to a network antenna of elliptical aperture electronic scanning radar but it's of course that it is not limited to this single application, and that it can be implemented for antennas of equipment other than radars, operating at frequencies which may be very different from those radars (for example sonars) provided that these antennas have radiating elements whose control signals may have different phases depending on the radiating elements. The networks constituting these antennas can be periodic or not. The opening of these antennas may not be elliptical: it may example be circular or rectangular, for example.

On a représenté en figure 1, de façon simplifiée, le contour elliptique 1 de l'ouverture d'une antenne-réseau de radar. Le procédé de l'invention vise à résoudre le problème suivant. Il s'agit de trouver le paramètre sur lequel on peut agir et la façon d'agir sur ce paramètre pour satisfaire simultanément les trois conditions suivantes : distribution équiamplitude du champ sur toute la section de l'ouverture, diagramme le plus plat possible au voisinage de l'axe du faisceau et gain de l'antenne maximisé.There is shown in Figure 1, in a simplified manner, the outline elliptical 1 of the opening of a radar array antenna. The process of the invention aims to solve the following problem. It's about finding the parameter on which we can act and how to act on this parameter for simultaneously satisfy the following three conditions: distribution evenness of the field over the entire section of the opening, diagram the as flat as possible near the beam axis and antenna gain maximized.

Selon l'invention, le paramètre sur lequel on agit est la phase des signaux envoyés aux différents éléments rayonnants de l'antenne et la façon d'agir sur cette phase est la suivante. Soit une ellipse 2 (figure 1) homothétique de l'ellipse 1, plus petite que cette dernière et concentrique avec elle. Selon l'invention, tous les éléments rayonnants se trouvant à l'intérieur de l'ellipse 2 reçoivent des signaux ayant la même phase ϕ1, tandis que tous les éléments se trouvant entre les deux ellipses 1 et 2 reçoivent des signaux ayant une phase ϕ2 telle que ϕ2 = ϕ1 ± 180°.According to the invention, the parameter on which one acts is the phase of the signals sent to the different radiating elements of the antenna and the manner of acting on this phase is as follows. Consider an ellipse 2 (figure 1) homothetic to ellipse 1, smaller than the latter and concentric with it. According to the invention, all the radiating elements located inside the ellipse 2 receive signals having the same phase ϕ 1 , while all the elements lying between the two ellipses 1 and 2 receive signals having a phase ϕ 2 such that ϕ 2 = ϕ 1 ± 180 °.

Pour déterminer le rapport d'homothétie des ellipses 1 et 2, on procède de la façon suivante. On recherche la fonction mathématique a(t), définie sur l'intervalle [0,1] vérifiant les trois conditions énoncées ci-dessus.

  • 1°) gain axial maximum : on maximise la fonction :
    Figure 00030001
  • 2°) pour aplanir le diagramme de rayonnement au voisinage de l'axe du faisceau :
    Figure 00040001
  • 3°) pour obtenir une distribution équiamplitude du champ: a(t). a(t) = 1
    • To determine the ratio of ellipses 1 and 2, we proceed as follows. We are looking for the mathematical function a (t), defined on the interval [0,1] satisfying the three conditions stated above.
  • 1) maximum axial gain: the function is maximized:
    Figure 00030001
  • 2) to flatten the radiation pattern in the vicinity of the beam axis:
    Figure 00040001
  • 3 °) to obtain an equiamplitude distribution of the field: at ( t ). at ( t ) = 1

    • Ce problème d'optimisation se résout facilement par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. On trouve ainsi, d'abord, que la loi de variation de phase est nécessairement constante par morceaux (« piecewise » en anglais), avec un saut de phase de 180° d'un morceau au suivant. On trouve ensuite que le nombre de morceaux conduisant à un gain maximal dans l'axe du faisceau se réduit à deux. Le calcul montre ensuite que le saut de phase se produit le long de l'ellipse 2 (ou du cercle) présentant un rapport d'homothétie d'environ ½ ¼ = 0,84 avec l'ellipse 1 (ou un cercle, si le contour de l'ouverture de l'antenne est circulaire). La perte de gain correspondante, par rapport à la même antenne sans élargissement de son diagramme, est de 7, 7 dB.This optimization problem is easily solved by the Lagrange multiplier method. We thus find, first, that the law of phase variation is necessarily constant by pieces (“piecewise” in English), with a phase jump of 180 ° from one piece to the next. We then find that the number of pieces leading to maximum gain in the beam axis is reduced to two. The calculation then shows that the phase jump occurs along ellipse 2 (or the circle) with a homothetic ratio of approximately ½ ¼ = 0.84 with ellipse 1 (or a circle, if the outline of the antenna opening is circular). The corresponding loss of gain, compared to the same antenna without widening its diagram, is 7.7 dB.

    Sur la figure 2, on a représenté trois demi-diagrammes de rayonnement (étant donné que ces diagrammes sont tous symétriques par rapport à l'axe du faisceau rayonné) correspondant respectivement

    • à l'antenne initiale sans élargissement (diagramme 4)
    • à l'antenne initiale avec élargissement selon l'invention (diagramme 5)
    • à l'antenne initiale, avec élargissement selon l'art antérieur,
    c'est-à-dire avec une phase suivant une loi dont la variable de plus faible exposant est une variable à la puissance 2 (diagramme 6), avec un gain, dans l'axe du faisceau, égal à celui de l'antenne du diagramme 5.In FIG. 2, three radiation half-diagrams have been shown (since these diagrams are all symmetrical with respect to the axis of the radiated beam) corresponding respectively
    • to the initial antenna without enlargement (diagram 4)
    • to the initial antenna with widening according to the invention (diagram 5)
    • at the initial antenna, with widening according to the prior art,
    that is to say with a phase according to a law whose variable of weakest exponent is a variable at power 2 (diagram 6), with a gain, in the axis of the beam, equal to that of the antenna of diagram 5.

    L'axe des ordonnées, représentant le gain G, est gradué en dB, et l'axe des abscisses est gradué en valeurs de variable angulaire normalisée ν = η d/λ sin ,
       λ étant la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne,  l'angle que fait la direction de rayonnement par rapport à la normale au plan de l'ouverture (en l'absence de déflexion du faisceau,  = 0°), et d la longueur du grand axe (ou du petit axe, si le plan du diagramme passe par un petit axe) de l'ouverture elliptique de l'antenne.     The ordinate axis, representing the gain G, is graduated in dB, and the abscissa axis is graduated in values of normalized angular variable ν = η d / λ sin ,
    λ being the operating wavelength of the antenna,  the angle which the direction of radiation makes with respect to the normal to the plane of the opening (in the absence of deflection of the beam,  = 0 °) , and d the length of the major axis (or the minor axis, if the plane of the diagram passes through a minor axis) of the elliptical opening of the antenna.

    On notera que si la loi d'illumination n'est pas uniforme en amplitude, la valeur du rapport d'homothétie optimal est liée à la loi particulière envisagée.Note that if the law of illumination is not uniform in amplitude, the value of the optimal homothetic ratio is linked to the law particular contemplated.

    Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir un diagramme de rayonnement dont le lobe principal (de section elliptique dans le présent exemple) décroít de façon monotone depuis le maximum axial (correspondant à la variable v = 0 sur la figure 2) jusqu'à pratiquement zéro (gain nettement inférieur à -30 dB). Par suite de l'annulation de la variable quadratique, ce diagramme présente autour de son axe un méplat remarquable, recherché pour certaines applications. En outre, puisque la loi d'illumination (loi de variation de la distribution du champ électromagnétique sur la surface de l'ouverture de l'antenne) est réelle et paire, le diagramme de rayonnement associé, qui est la transformée de Fourier de cette illumination, est équiphase, ce qui est également recherché pour certaines applications. Enfin, le caractère réel de la loi d'illumination assure une pente du flanc du lobe principal nettement plus accentuée que celle que produit une loi à phase variable. Aucune de ces propriétés ne peut être obtenue avec les procédés d'élargissement de diagramme de rayonnement de l'art antérieur (sauf pour les cas de faibles élargissements, nettement inférieurs à un facteur multiplicatif de 2, ce qui ne présente pratiquement aucun intérêt). Le procédé de l'invention est particulièrement avantageux si la répartition du champ de l'ouverture de l'antenne est équiamplitude, comme c'est par exemple le cas pour une antenne-réseau à modules actifs en classe C, en régime d'émission.The method of the invention thus makes it possible to obtain a diagram of radiation including the main lobe (of elliptical cross section in the present example) decreases monotonically from the axial maximum (corresponding to the variable v = 0 in figure 2) until practically zero (gain significantly less than -30 dB). Due to the cancellation of the variable quadratic, this diagram has a flat around its axis remarkable, sought after for certain applications. Furthermore, since the law of illumination (law of variation of the distribution of the electromagnetic field on the surface of the antenna opening) is real and even, the diagram of associated radiation, which is the Fourier transform of this illumination, is equiphase, which is also sought after for some applications. Finally, the real nature of the law of illumination ensures a slope the main lobe flank markedly more accentuated than that produced a variable phase law. None of these properties can be obtained with the art radiation pattern enlargement processes previous (except for cases of small enlargements, significantly lower than a multiplying factor of 2, which is practically of no interest). The process of the invention is particularly advantageous if the distribution of the field of the antenna opening is equiamplitude, as it is by example the case for a network antenna with active modules in class C, in emission regime.

    Claims (6)

    Procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne-réseau à balayage électronique à commande de phase, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer, à l'intérieur du contour (1) de l'ouverture rayonnante de l'antenne, un second contour (2) homothétique de celui-ci et concentrique et à appliquer aux éléments se trouvant à l'intérieur du second contour des signaux ayant une première phase donnée, fonction de la déviation désirée du faisceau rayonné, et à ceux se trouvant entre les deux contours une phase décalée de 180° par rapport à la première.Method for widening the radiation pattern of a phased array electronic scanning array antenna, characterized in that it consists in determining, inside the contour (1) of the opening radiating from the antenna, a second homothetic outline (2) thereof and concentric and to apply to the elements inside the second contour of the signals having a given first phase, function of the desired deviation of the radiated beam, and to those in between outline a phase offset 180 ° from the first. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport d'homothétie entre les deux contours est déterminé de façon à maximiser le gain de l'antenne dans la direction de l'axe du faisceau rayonné, à aplanir la courbure du diagramme de rayonnement au voisinage de l'axe du faisceau et à obtenir une loi d'illumination déterminée.Method according to claim 1, characterized in that the homothetic relationship between the two contours is determined so as to maximize the antenna gain in the direction of the beam axis radiated, to smooth the curvature of the radiation pattern in the vicinity of the beam axis and to obtain a determined law of illumination. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la loi d'illumination est équiamplitude.Method according to claim 2, characterized in that the law of illumination is equiamplitude. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture rayonnante étant une ellipse, ou un cercle, le rapport d'homothétie est de 0,84 environ.Method according to claim 3, characterized in that the radiating opening being an ellipse, or a circle, the ratio of homothety is about 0.84. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne-réseau.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the antenna is a network antenna. Antenne-réseau à balayage électronique à commande de phase, caractérisé en ce que la phase de ses éléments rayonnants est déterminée selon le procédé de l'une des revendications 1 à 5.Electronic scanning array antenna with control of phase, characterized in that the phase of its radiating elements is determined according to the method of one of claims 1 to 5.
    EP99402347A 1998-09-29 1999-09-24 Method for expanding the radiation pattern of an antenna and antenna using this method Withdrawn EP0991137A1 (en)

    Applications Claiming Priority (2)

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    FR9812155A FR2783974B1 (en) 1998-09-29 1998-09-29 METHOD FOR ENLARGING THE RADIATION DIAGRAM OF AN ANTENNA, AND ANTENNA USING THE SAME
    FR9812155 1998-09-29

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    Also Published As

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    FR2783974B1 (en) 2002-11-29
    FR2783974A1 (en) 2000-03-31

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