ES2986009T3 - Red de distribución de microondas - Google Patents
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Abstract
Red de distribución de microondas, que comprende un apilamiento de varias capas (4), comprendiendo cada una de las capas (4) una pluralidad de celdas unitarias (1), en donde: - las celdas unitarias (1) comprenden una entrada coaxial (2) conectada a tres líneas de transmisión (3) con una amplitud angular de 120°, estando orientada la entrada coaxial (2) sobre un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las tres líneas de transmisión (3) están sobre un plano XY, - las capas (4) están configuradas como una red hexagonal formada con las celdas unitarias (1) por replicación periódica, con las entradas coaxiales (2) colocadas en las esquinas de los hexágonos, de manera que cada celda unitaria (1) está conectada a tres celdas unitarias vecinas, estando orientadas las entradas coaxiales (2) de las tres celdas unitarias vecinas sobre un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las tres líneas de transmisión (3) están sobre un plano XY, de manera que esta orientación sobre el eje Z es opuesta a la orientación de la entrada coaxial (2) de la celda unitaria anterior (1) en el mismo eje Z, - la distancia entre las entradas coaxiales (2) es tal que satisface 1/4 de las condiciones de longitud de onda, y - las capas adyacentes (4) están interconectadas por medio de las entradas coaxiales (2) de las celdas unitarias que están dispuestas en direcciones opuestas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Red de distribución de microondas
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una red de distribución de microondas, utilizada principalmente en sistemas espaciales y en aplicaciones de satélite, o en aplicaciones terrestres o de segmento terrestre, ya sea utilizada como parte de un sistema de reflectores o de lentes, o de un conjunto radiante directo. También se refiere a un conjunto de antenas, una antena de reflector o una antena de lente que comprende dicha red de distribución de microondas.
Antecedentes de la invención
Un conjunto de antenas consiste en un conjunto de múltiples antenas simples que trabajan juntas como una única antena compuesta.
Existen antenas multihaz, que son capaces de generar simultáneamente múltiples haces independientes desde una apertura de antena común. En las aplicaciones multihaz, una de las limitaciones más frecuentes es la capacidad de resolución máxima del sistema, que está limitada por el tamaño y las dimensiones de los elementos radiantes, así como por la distancia entre los centros de fase de los haces adyacentes. Un enfoque útil es implementar las áreas radiantes efectivas con un conjunto de antenas pequeñas, lo que abre la posibilidad de solapar y reducir la distancia entre haces vecinos. Esto es especialmente interesante para las aplicaciones con sistemas de reflectores (véase, por ejemplo, el documento "Multi-beam applications of CORPS BFN: Sistema de alimentación de antenas reflectoras"; D. Betancourt, C. Del Río Bocio).
"A novel methodology to feed phased array antennas" (D. Betancourt, C. Del Río Bocio): en este documento se presenta una nueva metodología para diseñar redes de formación de haces (BFN) para alimentar conjuntos de antenas. Utilizando esta metodología es factible reducir la complejidad del control asociado de un conjunto en fase, ya que, un conjunto de antenas de N por N podría ser controlado para dirigir el haz utilizando cuatro desplazadores de fase en lugar de los N2 utilizados convencionalmente. Se ha diseñado, construido y medido un prototipo como prueba de concepto. El prototipo consiste en antenas Quasi-Yagi de 3 por 3 alimentadas por cuatro puertos de entrada. Las mediciones muestran que el haz principal de un conjunto de antenas alimentado por esta BFN puede dirigirse a cualquier dirección deseada.
"A beamforming network for multibeam antenna arrays based on coherent radiating periodic structures" (D. Betancourt, C. Del Río) describe una aplicación práctica de una CORPS-BFN en el campo de los sistemas multihaz. Presenta un estudio analítico y un prototipo que consta de 3 puertos de entrada, 3 capas y 6 puertos de salida. La BFN es una estructura que puede distribuir inteligentemente diferentes señales en su interior, de forma que una señal introducida en cada puerto de entrada es conducida a lo largo de la estructura a un determinado conjunto de puertos de salida, los más cercanos al puerto de entrada.
"Investigations on the efficiency of array fed coherently radiating periodic structure beam forming networks" (Ferrando N., Fonseca N.J.G.), IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATIO, vol 59, no. 2, págs. 493-502, investiga la capacidad y eficiencia de los sistemas C-BFN. Introduciendo una formulación matricial sencilla, detalla las pérdidas debidas a la naturaleza no ortogonal de la BFN para el monohaz y el multihaz, así como la capacidad de dirección del haz. Los resultados del estudio indican que la CORPS-BFN tiene una limitación razonable de 3 a 4 capas en configuración monohaz, pero de 8 a 10 en multihaz. También muestra cómo las estructuras de disposición periódica tienen también aplicaciones en diseños circulares o cilíndricos.
"A new multiple-beam forming network approach for a planar antenna array using CORPS" (Arce A., Covarrubias D.H., Panduro M.A., Garza L.A.), JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC WAVES AND APPLICATIONS, vol. 26, no. 2-3, págs. 294-306, trata de una forma de diseñar y analizar redes de formación de haz (BFN) para un conjunto de antenas planas orientables mutihaz utilizando la tecnología de Estructuras Periódicas Coherentemente Radiadas (CORPS). Se propone una configuración que alterna los puertos de entrada en subgrupos, donde los puertos de entrada son reutilizados por más de una señal o haz. El sistema multihaz completo está diseñado para generar 9 haces ortogonales simultáneamente.
Otro documento del estado de la técnica es “Coherently radiating periodic structures (CORPS): a step towards high<resolution imaging systems” (R. García, D. Betancourt, A. Ibáñez, C. del Río), ANTENNAS>A<nd PROPAGATION>SOCIETY SYMPOSIUM, 2005. IEEE WASHINGTON, DC, JULY 3-8, 2005, PISCATAWAY, NJ: IEEE, US, vol. 4B, 3 julio 2005, págs. 347-350.
El documento GB 2140974 A presenta un entramado plano de alimentación de microstrips para alimentar energía de microondas a elementos radiantes en un conjunto bidimensional. El entramado de alimentación tiene diferentes formas, incluyendo formas triangulares, rectangulares o hexagonales.
En la actualidad, el estado de la técnica ofrece varias propuestas de redes o estructuras de distribución, algunas de ellas basadas en la tecnología de Estructuras Periódicas Coherentemente Radiadas - Red de Formación de Haces, Coherently Radiating Periodic Structures - Beam Forming Network (CORPS-BFN).
Sin embargo, existe la necesidad de reducir aún más la distancia entre haces vecinos en las redes de distribución.
Sumario de la invención
Así, un objeto de la invención es proporcionar una red de distribución de microondas que permita reducir la distancia entre haces vecinos.
La invención proporciona una red de distribución de microondas que comprende un apilamiento de varias capas, cada una de las cuales comprende una pluralidad de celdas unitarias, en la que:
- las celdas unitarias comprenden una entrada coaxial conectada a tres líneas de transmisión con una amplitud angular de 120°, estando la entrada coaxial orientada en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las tres líneas de transmisión están en un plano XY,
- las capas están configuradas como un entramado hexagonal formado con las celdas unitarias por replicación periódica, con las entradas coaxiales colocadas en las esquinas de los hexágonos, de manera que cada celda unitaria está conectada a tres celdas unitarias vecinas, estando las entradas coaxiales de las tres celdas unitarias vecinas orientadas en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las tres líneas de transmisión están en un plano XY, de manera que esta orientación en el eje Z es opuesta a la orientación de la entrada coaxial de la celda unitaria anterior en el mismo eje Z
- la distancia entre las entradas coaxiales es tal que satisface % de las condiciones de longitud de onda, y
- las capas adyacentes están interconectadas por medio de las entradas coaxiales de las celdas unitarias que están dispuestas en direcciones opuestas.
La invención también proporciona una red de distribución de microondas, que comprende un apilamiento de varias capas, cada una de las cuales comprende una pluralidad de celdas unitarias, en las que:
- las celdas unitarias comprenden una entrada coaxial conectada a cuatro líneas de transmisión con una amplitud angular de 90°, estando la entrada coaxial orientada en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las cuatro líneas de transmisión están en un plano XY,
- las capas están configuradas como un entramado cuadrado o rectangular formado con las celdas unitarias por replicación periódica, con las entradas coaxiales colocadas en las esquinas del cuadrado o rectángulo, de manera que cada celda unitaria está conectada a cuatro celdas unitarias vecinas, estando las entradas coaxiales de las cuatro celdas unitarias vecinas orientadas en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las cuatro líneas de transmisión están en un plano XY, de manera que esta orientación en el eje Z es opuesta a la orientación de la entrada coaxial de la celda unitaria anterior en el mismo eje Z,
- la distancia entre las entradas coaxiales es tal que satisface % de las condiciones de longitud de onda, y
- las capas adyacentes están interconectadas por medio de las entradas coaxiales de las celdas unitarias que están dispuestas en direcciones opuestas.
La invención también proporciona un conjunto de antenas, una antena reflectora o una antena de lente que comprende dicha red de distribución de microondas.
La configuración anterior de la red de distribución de microondas proporciona un solapamiento efectivo de las zonas de radiación.
Otra ventaja de la invención es que la red de distribución de microondas puede ser totalmente pasiva y recíproca, pudiendo utilizarse en transmisión y recepción simultáneamente, y también puede formar parte de un sistema activo o incluir elementos activos, ya sea en recepción o en transmisión o en ambas.
Otras características y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto a partir de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su propósito en relación con las figuras adjuntas.
Descripción de las figuras
La Fig. 1 muestra una celda unitaria.
La Fig. 2 muestra un entramado hexagonal formado tras la replicación periódica de la celda unitaria.
La Fig. 3 muestra la condición de periodicidad y el punto de vista de la impedancia.
La Fig. 4 es un esquema del divisor de corriente presente en la intersección entre el puerto coaxial y las tres líneas de transmisión, desde el punto de vista de la línea de transmisión.
La Fig. 5 muestra un apilamiento de capas.
La Fig. 6 es un diagrama de una estructura simulada con 121 entradas coaxiales.
La Fig. 7 muestra la reflexión del puerto de entrada, la transmisión y el aislamiento entre los puertos de entrada y salida.
Las Fig. 8 y 9 muestran un ejemplo de distribución de potencia en una ODIN de 4 capas con una capa periódica para el caso ideal.
Descripción detallada de la invención
Se propone una nueva topología de estructura, denominada Red de Distribución Superpuesta (“Overlapped Distribution Network”,ODIN). La celda unitaria básica de la red se muestra en la Fig.1. La estructura propuesta es una red de 4 puertos, cuyas dimensiones pueden ajustarse para garantizar una distribución de potencia igual a cada rama. La estructura básica consiste en una transición de un puerto coaxial o de entrada a tres líneas de transmisión iguales colocadas con una amplitud angular de 120 grados. Las líneas de transmisión pueden ser strip-lines.
Se pueden colocar algunas vías alrededor de la transición para proporcionar apantallamiento y facilitar el acoplamiento de los campos a las líneas de transmisión.
Sea P1 el puerto coaxial, Z0 la impedancia característica de la línea coaxial y Zs la impedancia característica de las líneas de transmisión. La impedancia de entrada observada desde P1 se obtiene directamente calculando el paralelo de las tres impedancias de las líneas de transmisión. Así,
Zin_coax= Zs/3 (1)
Si se desea una adaptación perfecta, la relación (2) se obtiene directamente.
Zs =3-Z0 (2)
Supongamos ahora una replicación infinita y periódica de la celda, conectando cada celda a tres vecinas. Tras esta transformación periódica, todos los puertos de la red serán líneas coaxiales, funcionando las líneas de transmisión como interconexiones entre estos puertos coaxiales (Fig. 2).
Es importante señalar que, dentro de esta replicación, los puertos coaxiales vecinos presentarán diferentes orientaciones en el eje Z. Esto significa que, si el puerto coaxial de la celda original apunta hacia arriba, los tres vecinos más cercanos apuntarán hacia abajo. Siguiendo este camino, sus vecinos apuntarán hacia arriba, y así sucesivamente. La distancia entre estos puertos será ahora tal que satisfaga un cuarto de longitud de onda. La replicación de la celda de la manera mencionada implica la creación de un entramado hexagonal, como se representa en la Fig. 2. Dada la condición de periodicidad, al no considerar ningún extremo del entramado, se puede afirmar que la impedancia que se observa a la entrada de cada rama de la línea de transmisión es la misma, es decir, Zin. Esta impedancia será el resultado de la influencia mutua entre cada celda vecina. Cada celda estará cargada por el resto de la red. En la misma hipótesis, la impedancia que se observa en el extremo de cada línea de transmisión, es decir, Za (correspondiente al paralelo de la línea coaxial y las otras dos líneas de transmisión, conectadas al resto de la red) también será la misma en cada intersección. Para una perspectiva más clara desde el punto de vista de la impedancia, consúltese la Fig. 3. Sean Z0 y Zs la impedancia característica de la línea coaxial y de la línea de transmisión respectivamente. Como la longitud de la línea de transmisión corresponde a un cuarto de longitud de onda, las líneas de transmisión funcionan como transformadores de impedancia de un cuarto de onda, siguiendo la conocida relación
Zin = Zs2/Za (3)
Donde Za se calcula como la impedancia en paralelo entre un puerto coaxial y dos líneas de transmisión cargadas con el resto de la estructura periódica.
Za = Z0 // Zin // Zin
1/Za = 1/Z0 1 /Zin 1 /Zin (4)
Za = Z0-Zin / (2-Z0 Zin)
Dado que, para asegurar la combinación de impedancias en los puertos coaxiales, Zin=3Z0, y sustituyendo (4) en (3), se obtiene la siguiente relación entre la impedancia característica de las líneas coaxiales y las líneas de transmisión (5)
Z<s>= Z0-sqrt(9/5) (5)
Además, también se puede comprobar que
Z<a>= 3/5-Z<ü>(6)
En este punto, dado que la impedancia de entrada vista en cada rama es la misma, se puede afirmar que la potencia total que entra en la red desde un único puerto coaxial de entrada se divide por igual entre las tres líneas de transmisión. Siguiendo esta suposición, la potencia entregada a los puertos coaxiales vecinos se puede calcular como la potencia entregada a una carga de Z0 Q en un divisor de corriente con tres impedancias paralelas: Z0 // Zin // Zin desde el punto de vista de Z<a>. Para tener una idea más clara, se puede volver a consultar la Fig. 2, así como la Fig. 4. Aquí se podría definir una tensión auxiliar V<a>a partir de la relación entre potencia y tensión (7a). Posteriormente, se puede obtener que la potencia entregada a la carga Z0 corresponde a 3/5 de la potencia disponible en la línea de transmisión de entrada. Por tanto, se concluye que la potencia entregada a cada puerto coaxial, vecino al coaxial de entrada, será:
P = V I = V2/Z (7a)
P<z>0 = V<a>2/Z0 = P<a>-Z<a>/Z<ü>= 1/3 P<t>-3/5 = 1 /5 P<t>(7b)
Donde P<t>representa la potencia total de entrada procedente del primer puerto coaxial. Hasta ahora, se ha determinado: la cantidad de potencia entregada a cada rama desde el puerto coaxial (un tercio de cada una) y la cantidad de potencia entregada a cada puerto vecino (tres quintos de la potencia disponible en cada rama, es decir, un quinto de la potencia total). De estos resultados se deduce que se entregan al resto de la red seis quinceavas partes de la potencia total (una por rama de la línea de transmisión). Como se indica en (7b), tres quintas partes de la potencia se entregarán al puerto coaxial (1/25 de la potencia total, es decir, -14dB), que será el aislamiento nominal entre puertos coaxiales consecutivos en el plano (es decir, puertos coaxiales consecutivos con la misma orientación en el eje Z).
Hasta aquí se han presentado las principales características y el comportamiento de la red y se han discutido sus propiedades bajo una condición de periodicidad. El siguiente paso implica el apilamiento de varias capas del entramado hexagonal, tal y como se dibuja en la Fig. 5. A este respecto, es importante señalar que se ha indicado que los puertos coaxiales están dispuestos con direcciones alternas. Esta característica permitirá la interconexión de las capas y la propagación longitudinal de la energía a través de la estructura.
En referencia a las Fig.8 y 9 se puede ver una representación de ejemplo de la distribución de potencia en un escenario de N=4 (esto significa que un tercio de la potencia se entrega a cada puerto vecino). Para N=2,3... su orientación se intercambiará alternativamente en cada capa, para seguir una propagación hacia arriba. La potencia se distribuye dentro de cada capa, concentrando su mayor parte en la posición central con respecto al puerto de entrada en la capa 1. Como puede verse, dado que el lado del hexágono corresponde a un cuarto de longitud de onda, la distancia entre elementos radiantes consecutivos es inferior a media longitud de onda.
Con el fin de proporcionar un ejemplo del rendimiento de la red, se ha simulado en un software simulador de circuitos una única capa finita de la estructura, tal y como se representa en la Fig.6. Los puertos coaxiales fueron modelados por puertos agrupados con Z0= 50 Q. Se eligió la banda L como banda de operación y una frecuencia de referencia f0 de 1.5 GHz para diseñar los transformadores de cuarto de onda. El hecho de que la topología esté compuesta por elementos resonantes infiere el comportamiento resonante de la red. Como la simulación de una estructura infinitamente periódica era inviable, se simuló una estructura razonablemente grande con 121 puertos. Se observó que la transmisión a un puerto vecino (por ejemplo, del puerto 1 a los puertos 2, 6 y 10 en la Fig. 6) era de unos -6,5 dB y el aislamiento entre puertos consecutivos de unos -16dB.
En cuanto a los puertos no consecutivos, podemos distinguir entre dos tipos de puertos no consecutivos: los situados en los ejes normales centrados de los tres ejes de simetría (puertos 17, 21,25, 29, 33 y 37), y los que no lo están (15, 19, 23, 27, 31 y 35) - Véase la Fig.6 para una visión más clara. Se ha visto que el aislamiento entre el puerto 1 y los puertos del primer tipo presentan un aislamiento mayor (por debajo de 35dB) que el resto (por debajo de 20 dB). Todos estos parámetros se representan en la figura 7.
En la figura 8 se observa que la señal que entra por una de las entradas, situada en una de las seis esquinas de un hexágono, distribuirá la potencia principalmente a través de las tres salidas coaxiales más cercanas a la capa superior, y éstas a su vez harán lo mismo con la siguiente, de forma que la señal se distribuye por una zona cada vez más amplia. La señal es radiada por todos los elementos radiantes que reciben una parte significativa de la señal introducida.
Las figuras 8 y 9 muestran un ejemplo de distribución de potencia en una ODIN de 4 capas con una capa periódica para el caso ideal. Los círculos oscuros representan las fuentes en cada capa. Los círculos claros con un número representan los nodos receptores (puertos de salida) en cada capa. En este escenario de cuatro capas, la división de potencia dada por la red podría utilizarse para alimentar un conjunto hexagonal de 19 elementos radiantes.
Varias capas de la estructura podrían apilarse adecuadamente para incrementar el número de elementos radiantes, definiendo así una mayor área de radiación para cada uno de los haces, que podrían estar muy solapados y al mismo tiempo suficientemente aislados entre sí.
Las líneas de transmisión 3 pueden incluir stubs o ancho de líneas o altura de líneas de transmisión o líneas de trayectoria. Las entradas coaxiales de transmisión 2 pueden incluir estructuras de sintonización o tornillos o stubs. Otra posibilidad es obtener un entramado cuadrado o rectangular tras la replicación periódica de las celdas unitarias 1 que comprenden una entrada coaxial 2 conectada a cuatro líneas de transmisión 3 con una amplitud angular de 90°, estando la entrada coaxial 2 orientada en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las cuatro líneas de transmisión 3 están en un plano XY.
Aunque la presente invención se ha descrito en su totalidad en relación con las realizaciones preferidas, es evidente que se pueden realizar modificaciones dentro de su alcance, no considerándose este como limitado por estas realizaciones, sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.
Claims (9)
- REIVINDICACIONES1 Red de distribución de microondas, que comprende un apilamiento de varias capas (4), comprendiendo cada una de las capas (4) una pluralidad de celdas unitarias (1), en la que:- cada una de las celdas unitarias (1) comprende una entrada coaxial (2) conectada a tres líneas de transmisión (3) con una amplitud angular de 120°, estando la entrada coaxial (2) orientada en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las tres líneas de transmisión (3) están en un plano XY,- cada una de las capas (4) está configurada como un entramado hexagonal formado con las celdas unitarias (1) por replicación periódica, donde la entrada coaxial de cada celda unitaria está situada en una esquina respectiva de los hexágonos, de manera que cada celda unitaria (1) está conectada a tres vecinas de la pluralidad de celdas unitarias, estando las entradas coaxiales (2) de las tres celdas unitarias vecinas orientadas en paralelo al eje Z, de manera que esta orientación es opuesta a la orientación de la entrada coaxial (2) de la celda unitaria anterior (1) en el mismo eje Z,- una distancia entre las entradas coaxiales (2) se fija en A/4, en la que A es una longitud de onda de una frecuencia de operación de la red de distribución de microondas, y- capas adyacentes (4) del apilamiento están interconectadas por medio de entradas coaxiales (2) respectivas de las celdas unitarias que se extienden desde las capas adyacentes unas hacia otras en direcciones opuestas.
- 2. - Red de distribución de microondas, que comprende un apilamiento de varias capas (4), comprendiendo cada una de las capas (4) una pluralidad de celdas unitarias (1), en la que:- cada una de las celdas unitarias (1) comprende una entrada coaxial (2) conectada a cuatro líneas de transmisión (3) con una amplitud angular de 90°, estando la entrada coaxial (2) orientada en un eje Z de un sistema cartesiano de ejes en el que las cuatro líneas de transmisión (3) están en un plano XY,- cada una de las capas (4) está configurada como un entramado cuadrado o rectangular formado con las celdas unitarias (1) por replicación periódica, donde la entrada coaxial de cada celda unitaria está situada en una esquina respectiva de los cuadrados o los rectángulos, de manera que cada celda unitaria (1) está conectada a cuatro vecinas de la pluralidad de celdas unitarias, estando las entradas coaxiales (2) de las cuatro celdas unitarias vecinas orientadas en paralelo al eje Z, de manera que esta orientación es opuesta a la orientación de la entrada coaxial (2) de la celda unitaria anterior (1) en el mismo eje Z,- una distancia entre las entradas coaxiales (2) se fija en A/4, en la que A es una longitud de onda de una frecuencia de operación de la red de distribución de microondas, y- las capas adyacentes (4) del apilamiento están interconectadas por medio de respectivas entradas coaxiales (2) de las celdas unitarias que se extienden desde las capas adyacentes unas hacia otras en direcciones opuestas.
- 3. - La red de distribución de microondas según la reivindicación 1 o 2, en la que las celdas unitarias (1) comprenden una pluralidad de vías de apantallamiento (5) que rodean una transición entre la entrada coaxial (2) y las líneas de transmisión (3).
- 4. - La red de distribución de microondas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las celdas unitarias (1) comprenden un sustrato (6) en el que se sitúan las líneas de transmisión (3) y en el que entra la entrada coaxial (2).
- 5. - La red de distribución de microondas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que las líneas de transmisión (3) incluyen stubs o líneas de trayectoria.
- 6. - La red de distribución de microondas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las entradas coaxiales de transmisión (2) incluyen estructuras de sintonización o tornillos o stubs.
- 7. - Conjunto de antenas que comprende la red de distribución de microondas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
- 8. - Sistema de antenas reflectoras que comprende la red de distribución de microondas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
- 9. - Antena de lente que comprende la red de distribución de microondas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
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