JP2006129444A - 高周波電力増幅器および高周波電力増幅器モジュール - Google Patents

高周波電力増幅器および高周波電力増幅器モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】 従来の電力増幅器と比較して低雑音、高安定で良好な制御特性を有する高周波電力増幅器を提供する。
【解決手段】 電力増幅器の初段をQ1,Q2で構成する差動増幅器とし、初段と2段目との段間にキャパシタCp1,Cp2,Ct1,Ct2とインダクタLp1,Lt1の受動素子からなる平衡−不平衡変換兼段間整合回路を設け、2段目を不平衡シングルエンド型回路とする。差動増幅器の構成をエミッタカップル型として、そのエミッタ電流を決定する電流源電流を変化させることにより初段増幅器の出力制御を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は高周波移動体通信用端末に用いられる高周波電力増幅器、およびそれが他の部品と共に単一のモジュール基板上に搭載されて成る高周波電力増幅器モジュールに関し、特に出力雑音電力と出力制御勾配を低減した差動入力の高周波電力増幅器および高周波電力増幅器モジュールに関する。
従来、この種の電力増幅器として、特開2002−76954号公報(特許文献1)に開示される構成が知られている。図4はその回路ブロック図である。電力増幅器10は、差動増幅器11と、シングル増幅器12と、コンデンサ13とで構成され、差動増幅器11の出力側とシングル増幅器12の入力側がコンデンサ13を介して接続されている。なお、図4において、参照符号1はアンテナ、2はフィルタ、3はアイソレータ、4はカプラである。
また、他の従来の高周波増幅器の構造として、特開2002−164797号公報(特許文献2)に高出力電圧制御発振器が開示されている。図5は、その回路ブロック図である。制御電圧が入力される入力端子110と、この入力端子110に入力された制御電圧が供給される電圧制御発振器14と、この電圧制御発振器14の出力が供給されるとともに複数個の増幅回路19〜20が直列に接続されて形成された電力増幅部17と、この電力増幅部17の出力が供給される出力端子18とを備え、前記電圧制御発振器14と前記電力増幅部17の少なくとも初段の増幅回路19は平衡増幅回路で形成されるとともに前記電力増幅部17内に平衡・不平衡変回路を設けた構成である。なお、図5において、参照符号15は電圧制御発振部出力端子、16は整合回路、120は共振回路、130は平衡増幅回路、22は電力制御端子、23はパッケージである。
特開2002−76954号公報 特開2002−164797号公報
高周波移動体通信端末に用いられる電力増幅器においては、おおむね0dBm前後の前段の増幅器の出力信号をアンテナ出力以上まで増幅する必要がある。特にGSM(Global System for Mobile Communications)方式の端末に用いられる電力増幅器の場合、33dBm程度のアンテナ出力が要求される。電力増幅器とアンテナの間に挿入されるフィルタおよびスイッチの損失が1dB程度以上あることを考慮すると、34dBm以上の出力が必要とされる。すなわち、最低でも34dB程度以上の電力利得が必要とされる。さらに、GSM方式では電力増幅器出力に線形性が要求されないので、一般に効率を向上させるために電力増幅器の出力を飽和させて使用する。従って、電力増幅器の線形利得は最低限必要な34dBよりも5〜10dB高い39〜44dB程度とするのが一般的である。そのため、GSM方式の端末に用いられる電力増幅器は特開2002−164797号公報にも示されているように、通常3段増幅器で構成される。ところが一般的に増幅器の段数が増加するほど増幅器の位相補償が困難となり、発振が生じやすくなる。そのため、GSM方式で用いられる3段増幅器は発振しやすく、またCDMA(Code Division Multiple Access)方式等に用いられる2段増幅器と比較して小型化が困難であるという問題があった。
また、この様に利得の高い増幅器では出力雑音も増大する。通信端末においては不要輻射、特に端末の受信周波数(以下Rxと称する)帯域における不要輻射を低減する必要から、その最大値が規定されている。GSM方式の規格では、端末のRx帯域の輻射を最大−79dBm/100kHz以下と規定している。
一般に、移動体通信においては、送信周波数(以下Txと称する)は数百MHz〜2GHz程度であり、一方、端末の送信周波数Tx帯域とRx帯域とは数十MHz程度(GSM方式では20MHz)しか離れていない。そのため、端末のRx帯における電力増幅器の増幅器利得と雑音指数(以下NFと称する)はTx帯でのそれとほぼ等しい。したがって、電力増幅器のTx帯域における電力利得とNFとを掛け合わせる(dB表示では足し合わせる)ことにより、Rx帯において生じる雑音電力の下限が求められる。
GSM用電力増幅器の利得は先に述べたように39〜44dB程度であり、室温における熱雑音が−124dBm/100kHzであるので、−79dBm/100kHzの規定を満たすには雑音指数1〜6dB(PG=39dBの場合、−124+NF+39≦−79からNF≦6dBとなる)が必要となる。この雑音指数は一般の低雑音増幅器のそれ(1GHz近辺で0.5〜2dB)と比較すると、大きい値であるが、電力増幅器の雑音設計に関しては通常の低雑音増幅器で行われる雑音低減手法は適用困難であり、通常の設計で雑音指数1〜6dBを実現するのは容易ではない。
通常の雑音低減手法(入力を雑音最小となる整合とすること、電流に比例するショット雑音を低減するために初段電流を最小限にすること)が、電力増幅器に適用困難な理由は以下のとおりである。まず、一般に雑音最小の整合と無反射整合とは整合インピーダンスが異なるので、雑音最小となる整合では電力増幅器の初段から前段の増幅器に向けて反射電力が戻るために前段の不安定動作を引き起こす可能性がある。また、初段電流は初段に必要とされる出力で決まり、低雑音増幅器のような低電流動作では十分な初段出力が得られない。
このように、GSM方式の電力増幅器のRx帯雑音に関しては、通常の雑音指数で決まる雑音のみでGSM方式の規格値に近い雑音が発生するが、それに加えて、電力増幅器の飽和動作のために、線形増幅器では生じない付加雑音が発生する。以下にこの付加雑音について述べる。増幅器が飽和動作、すなわち非線形動作することで周波数混合器と同様の効果により周波数変換が生じる。具体的には、増幅器の入力端子から入力された高周波信号に対して、トランジスタのバイアス供給回路からの低周波(例えば20MHz)の雑音信号、あるいはトランジスタ自身の低周波雑音信号が混合されて両者の周波数の和、もしくは差の周波数の信号が生じる。
いま、GSM方式ではTx帯の最高周波数とRx帯の最低周波数との差は先に述べたように20MHzであるので、Tx信号と20MHzの雑音信号が和周波数に変換されるとRx帯周波数での雑音となる。したがって、電力増幅器について、この非線形性に基づく周波数変換雑音を低減する必要があるが、従来の増幅器ではこの雑音を低減することが困難であるという問題があった。
さらに、GSM方式の電力増幅器の出力制御性に関しては、わずかな制御電圧の変化によって出力が大きく変化するという、制御勾配が過大な状態になりやすく、特に3段増幅器のすべての増幅段に対して出力制御を行うと、制御勾配が3倍となって、特に制御勾配過大な状態に陥りやすいという問題点があった。
上記の要請に対して、特開2002−76954号公報(特許文献1)では、CDMA方式の信号について、初段を差動増幅器、後段をシングルエンド増幅器で構成して、初段において発生する3次歪と後段における3次歪について、振幅がほぼ等しく符号が逆になるように調整することで歪を低減する技術を開示している。しかしながら、この技術はCDMA方式の線形電力増幅器に関する技術であり、飽和動作するGSM方式を考慮した技術ではない。また、上記の低周波雑音がTx帯の高周波信号と混合されてRx帯の雑音となる機構は、後述するように2次、若しくは4次といった偶数次の効果であり、3次歪の効果ではない。したがって、この従来例はRx帯雑音の低減にはほとんど寄与しない。また、CDMA方式向け電力増幅器は一般に利得一定で使用されるため、上記制御勾配の急峻さとは関係がない。さらに、CDMA方式向け電力増幅器は一般にGSM方式用増幅器よりも低利得であるため、上記発振の問題についても特に示されていない。
他の従来の高周波増幅器の構造である特開2002−164797号公報(特許文献2)においては、GSM方式の電力増幅器を含む電圧制御発信器が開示されているが、電力増幅器部分は増幅段19,20,21を有する3段増幅器であり、また、その各々に制御端子22から制御を行う方式である。したがって、位相補償が困難で発振しやすく、2段増幅器構成と比較して小型化に不利であり、制御勾配が過大な状態に陥りやすいという問題点があった。また、Rx帯雑音低減については何も開示されていない。
本明細書において開示される発明のうち代表的な一つを示せば、次の通りである。すなわち、本発明に係る高周波電力増幅器は、初段増幅器が差動増幅器で構成され、前記初段増幅器と2段目増幅器との段間に受動素子で構成された平衡−不平衡変換兼段間整合回路が設けられて成り、前記2段目増幅器が不平衡シングルエンド型回路で構成されることを特徴とするものである。
また、本発明に係る高周波電力増幅器モジュールは、初段増幅器が差動増幅器で構成され、前記初段増幅器と2段目増幅器との段間に受動素子で構成された平衡−不平衡変換兼段間整合回路が設けられて成り、前記2段目が不平衡シングルエンド型回路で構成された高周波電力増幅器を具備して成ることを特徴とする。
初段を差動増幅器とし、段間に受動素子で平衡−不平衡変換回路を構成することで、初段の入出力伝達特性を奇関数にすることができる。これにより、低周波信号をTx帯の高周波信号と混合してRx帯周波数の信号に変換する効果を抑圧することが可能である。また、平衡−不平衡変換回路を用いることで最大3dBの電力利得を得ることができるため、電力増幅器を2段で構成でき、小型で発振安定性の確保できた増幅器が得られる。さらに、2段構成の電力増幅器で、初段の出力を電流源電流で制御することにより制御勾配の緩やかな増幅器を実現することができる。本発明の高周波電力増幅器によれば、低雑音、高安定で良好な制御特性を得ることができる。
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る高周波電力増幅器の実施例について詳細に説明する。
まず、図1に示した回路構成図を用いて本発明に係る高周波電力増幅器の第1実施例の構成を説明する。図1において、RFin1およびRFin2は各々正相および逆相入力端子、Q1およびQ2は初段の信号増幅用バイポーラトランジスタ、Q3は電流源トランジスタである。
また、Iapcは初段制御入力端子、RL1およびRL2は負荷抵抗、Re1は電流源抵抗、Lb11およびLb12は初段ベースバイアス供給用インダクタ、Vbb1およびVbb2は各々初段および出力段のベースバイアス端子である。Vcc1およびVcc2は各々初段および出力段のコレクタ電源端子、Cp1、Cp2、Ct1、Ct2、およびCi2は段間整合用キャパシタ、Lp1およびLt1は段間整合用インダクタ、Lb2は出力段ベースバイアス供給用インダクタ、Q4は出力段バイポーラトランジスタ、Lc1は出力段コレクタ電源供給用インダクタ、OMNは出力整合回路、そしてRFoutは出力端子である。
次に、本実施例の動作を説明する。入力端子RFin1およびRFin2には、前段の差動増幅器(不図示)から互いに位相が180度異なる正相および逆相の信号が入力される。トランジスタQ1,およびQ2は差動増幅器を構成し、各々の電流の和が定電流源Q3を流れる電流と等しくなるように動作する。キャパシタCp1,Cp2と、インダクタLp1はπ型に接続され、キャパシタCt1,Ct2と、インダクタLt1はT型に接続される。
これらの回路では、正相および逆相の信号の位相が各々±90度回転し、その結果、段間整合用キャパシタCi2との接続部では、正相および逆相の信号が同位相となってCi2に供給される。すなわち、Cp1,Cp2,Lp1,Ct1,Ct2,Lt1で構成される回路は、平衡−不平衡変換回路であって、段間整合回路でもある。平衡−不平衡変換された信号は段間整合用キャパシタCi2を介して出力トランジスタQ4に供給され、Q4の出力は出力整合回路OMNを介して出力端子RFoutに供給される。
ここで、初段は差動増幅器であって、その出力は平衡−不平衡変換回路で合成されるので、その入出力伝達特性は図3に示すように、バイアス点を中心とした点対称の特性を示すなお、図3において初段制御入力端子Iapcに入力される制御バイアスは矢印の方向に大きくなる。点対称のグラフは奇関数で表されるので、入出力特性は奇関数で表される。
今、入力信号と低周波雑音の周波数をそれぞれw0、w1として、トランジスタQ1,Q2に入力される信号電圧Vinを、次の式(1)で表す。
Vin=exp(jw0t)+δexp(jw1t)… (1)
ここで、δ≪1である。
出力をVoutとすると、入出力伝達特性の比線形性を3次の項まで考慮した場合、次の式(2)となる。
Vout=A・Vin+B・Pin… (2)
式(2)に式(1)を代入すると、次の式(3)が得られる。
Vout=A{exp(jw0t)+δexp(jw1t)}
+B{exp(j3w0t)+3δexp(j(3w0t+w1)t)+3δexp(j(w0t+3w1)t)+δexp(j(3w1)t))… (3)
w0近傍に現れる周波数成分は3B・δexp(j(w0t+3w1)t)のみであるが、この項はδを含むので、無視できるほど微小な項である。したがって、奇関数で表わされる入出力伝達特性を持った電力増幅器では低周波雑音と信号との混合に起因するRx帯雑音の増大は生じない。3次よりも高次の項についても同様の議論が成り立ち、偶数次の項がなければ低周波雑音が信号と混合されてRx帯雑音に変換されることはない。
本実施例の電力増幅器のRx帯雑音を測定したところ、−83dBm/100kHzとなり、初段に差動段を使わない増幅器の場合のRx帯雑音−80dBm/100kHzを大きく下回った。
また、バイポーラトランジスタの相互コンダクタンスgmは電流に比例し、電圧増幅率は、「gm×負荷抵抗」で表される。本実施例の電力増幅器の出力制御特性を測定したところ、出力制御勾配の最大値は200dB/Vとなり、初段に差動段を使わない場合の500dB/Vを大きく下回った。
さらに、本実施例の2段増幅器で構成された電力増幅器の負荷インピーダンスを、VSWR(電圧定在波比)1:9に保ったまま位相角を変化させたところ、発振は生じなかった。一方、ほぼ同じトランジスタを用いて初段増幅器をシングルエンドにして構成した3段構成の電力増幅器では、ある特定の位相角近傍で発振が生じた。すなわち、本実施例の発明では、従来の電力増幅器と比較して低雑音、かつ、高安定で良好な制御特性を得ることができた。
なお、本実施例ではバイポーラトランジスタを用いた回路について述べているが本発明の本質は、初段の入出力伝達特性が奇関数になるということである。この条件が満たされれば、増幅素子はMESFET,MOSFETでも本実施例と同様の結果が得られることはいうまでもない。
また、段間の整合回路を兼ねたT型、ならびにπ型の回路についても、キャパシタCp2,Ct1をそれぞれ除去して、どちらの回路もL型回路に変換した場合でも、周波数帯域は狭くなるものの、適当な定数を選ぶことで平衡−不平衡変換を実現できるのも明らかである。
本発明に係る差動入力の高周波電力増幅器の第2実施例の構成を、図2を用いて説明する。図2では、第1実施例の電力増幅器の初段負荷を抵抗RL1およびRL2からインダクタLL1,LL2に変えている。その結果、初段の効率が向上し、出力34dBm時の効率が、第1実施例の場合の52%から55%に向上した。
実施例3の構成を図6および図7を用いて説明する。図6は本実施例の高周波電力増幅器を1個のパッケージに構成した高周波電力増幅器モジュールの斜視図であり、図7はその回路図である。
図6および図7において、Lin11,Lin12は入力整合インダクタ、Cin11およびCin12は入力整合容量、LL1およびLL2は負荷インダクタ、Cc1は電源安定化キャパシタ、Line1およびLine2は出力整合用伝送線路、Co1,Co2,Co3は出力整合用キャパシタである。また、202は増幅用トランジスタ、電流源抵抗Re1,および整合用キャパシタCi2を集積化したMMICであり、上記以外の回路部品は図1と同様である。図1において出力整合回路OMNとして示した部分は、伝送線路Line1,Line2および整合容量Co1,Co2,Co3により構成した。
これらの部品は図6に示すように、表面実装形チップ部品、もしくはモジュール基板上の配線層を用いた伝送線路として、モジュール基板204上に搭載もしくは形成し、高周波電力増幅器モジュールを構成した。チップ部品は、すべて0.6×0.3mmのいわゆる0603部品を用いた。増幅用MMIC202の寸法は1.2mm角、モジュール基板204は4層の多層アルミナセラミクスであり、基板厚さは0.5mm、基板寸法は6mm角である。図6には示していないが、モジュールは樹脂封止され、樹脂封止後のモジュール寸法は6×6×1.5mmである。
本実施例では、図7に示すように、増幅器を構成するトランジスタQ1〜Q4と、段間整合回路のうちCi2と電流原抵抗Re1とを、トランジスタと同一半導体基板上に集積化したMMIC202として構成し、部品の実装面積を低減した。さらに、チップ部品として、0603部品を用いることで6×6×1.5mmと小型の電力増幅器を実現した。
本実施例の動作は実施例2と同様であって、インダクタ負荷の初段が差動増幅動作することでベースバイアス電圧Vb1端子から入力される低周波雑音がRx帯雑音に変換されるのが抑制されるため、−83dBm/100kHzと低いRx帯雑音を実現した。また、実施例2と同様に、インダクタ負荷の初段が高効率で動作するために増幅器効率として55%の高い効率を得た。
本実施例の構成に拠れば、6×6×1.5mmと小型で雑音の小さい高周波電力増幅器を提供できる。なお、本実施例では基板材料としてアルミナセラミクスを用いたが、樹脂多層基板等を用いても同様のモジュールが構成可能であるのは勿論である。
実施例4の構成を、図8および図9を用いて説明する。図8は本実施例の高周波電力増幅器を1個のパッケージに構成した高周波電力増幅器モジュールの斜視図であり、図9はその回路図である。
本実施例は、実施例3におけるCp1、Cp2、Lp1、Ct1、Ct2、Lt1の平衡−不平衡変換兼段間整合回路を、図9に示すように、MMIC202に集積化した。これらの素子は、実施例3では図7に示すようにチップ部品で構成され、MMIC202の外部にあった。これらの素子をMMICに内蔵とすることにより、増幅用MMIC202の寸法は1.4mm角と実施例3の1.2mm角よりも大きくなったが、モジュール基板204上に搭載する部品数を6個削減した。これによりモジュール基板寸法は5×6mmと実施例3よりもさらに小型化した。
本実施例の動作は実施例2、3と同様であって、実施例2、3と同様に−83dBm/100kHzと低いRx帯雑音を実現した。また、実施例2、3と同様に、増幅器効率として55%の高い効率を得た。
本実施例の構成に拠れば、5×6×1.5mmと小型で雑音の小さい高周波電力増幅器を提供できる。なお、本実施例では基板材料としてアルミナセラミクスを用いたが、樹脂多層基板等を用いても同様のモジュールが構成可能であるのは勿論である。
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更をなし得ることは勿論である。
本発明に係る高周波電力増幅器の第1実施例を示す回路図。 本発明に係る高周波電力増幅器の第2実施例を示す回路図。 実施例1の増幅器の入出力特性を示す図。 電力増幅器の従来例を示すブロック図。 電力増幅器の別の従来例を示すブロック図。 実施例3の高周波電力増幅器モジュールの斜視図。 実施例3の高周波電力増幅器モジュールの回路図。 実施例4の高周波電力増幅器モジュールの斜視図。 実施例4の高周波電力増幅器モジュールの回路図。
符号の説明
Q1,Q21…バイポーラトランジスタ、Q3…電流源トランジスタ、Iapc…初段制御入力端子、RL1、RL2…負荷抵抗、Re1…電流源抵抗、Lb11,Lb12…初段ベースバイアス供給用インダクタ、Vbb1,Vbb2…ベースバイアス端子、Vcc,Vcc1,Vcc2…コレクタ電源端子、Cp1,Cp2,Ct1,Ct2…段間整合用キャパシタ、Lt1,Lp1…段間整合用インダクタ、Lb2…ベースバイアス供給用インダクタ、Q4…出力段バイポーラトランジスタ、Lc1…出力段コレクタ電源供給用インダクタ、OMN…出力整合回路、RFout…出力端子。

Claims (16)

  1. 初段増幅器が差動増幅器で構成され、前記初段増幅器と2段目増幅器との段間に受動素子で構成された平衡−不平衡変換兼段間整合回路が設けられて成り、前記2段目が不平衡シングルエンド型回路で構成されることを特徴とする高周波電力増幅器。
  2. 請求項1において
    前記初段電力増幅器の負荷が、インダクタンスであることを特徴とする高周波電力増幅器。
  3. 請求項1において、
    前記差動増幅器はエミッタ同士が接続されたエミッタカップル型であり、前記エミッタ同士に接続される電流源電流により前記初段増幅器の出力制御を行うことを特徴とする高周波電力増幅器。
  4. 請求項1において、
    前記差動増幅器はソース同士が接続されたソースカップル型であり、前記ソース同士に接続される電流源電流により前記の初段増幅器の出力制御を行うことを特徴とする高周波電力増幅器。
  5. 請求項1において、
    前記初段増幅器と2段目増幅器との段間に受動素子で構成された平衡−不平衡変換兼段間整合回路は、第1および第2の段間整合用キャパシタと第1の段間整合用インダクタでπ型接続された段間整合回路と、第3および第4の段間整合用キャパシタと第2の段間整合用インダクタでT型接続された段間整合回路とで構成されることを特徴とする高周波電力増幅器。
  6. 初段増幅器が差動増幅器で構成され、前記初段増幅器と2段目増幅器との段間に受動素子で構成された平衡−不平衡変換兼段間整合回路が設けられて成り、前記2段目が不平衡シングルエンド型回路で構成された高周波電力増幅器を具備して成ることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  7. 請求項6において、
    前記初段電力増幅器の負荷が、インダクタンスであることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  8. 請求項6において、
    前記差動増幅器はエミッタ同士が接続されたエミッタカップル型であり、前記エミッタ同士に接続される電流源電流により前記初段増幅器の出力制御を行うことを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  9. 請求項6において、
    前記差動増幅器はソース同士が接続されたソースカップル型であり、前記ソース同士に接続される電流源電流により前記の初段増幅器の出力制御を行うことを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  10. 請求項6において、
    前記平衡−不平衡変換兼段間整合回路は、第1および第2の段間整合用キャパシタと第1の段間整合用インダクタでπ型接続された段間整合回路と、第3および第4の段間整合用キャパシタと第2の段間整合用インダクタでT型接続された段間整合回路と、前記第1の段間整合用インダクタと前記第4の段間整合用キャパシタに一端が接続されると共に他端が前記2段目増幅器の入力に接続された第5の段間整合用キャパシタとで構成されることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  11. 請求項10において、
    前記差動増幅器を構成する差動対トランジスタ及び電流源抵抗と、前記2段目の増幅器と、前記第5の段間整合用キャパシタとが、同一半導体基板上に集積化されて成るMMICで構成されることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  12. 請求項11において、
    前記MMICは、さらに前記π型接続された段間整合回路と、前記T型接続された段間整合回路とが前記半導体基板上に集積化されて成ることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  13. 請求項11において、
    前記MMIC以外の回路部品は表面実装形チップ部品、もしくはモジュール基板上の配線層を用いた伝送線路としてモジュール基板上に搭載若しくは形成されて成ることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  14. 請求項12において、
    前記MMIC以外の回路部品は表面実装形チップ部品、もしくはモジュール基板上の配線層を用いた伝送線路としてモジュール基板上に搭載若しくは形成されて成ることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  15. 請求項12において、
    前記モジュール基板は、アルミナセラミクス基板であることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
  16. 請求項13において、
    前記モジュール基板は、アルミナセラミクス基板であることを特徴とする高周波電力増幅器モジュール。
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