JP2009159225A - Antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はアンテナ装置に係り、より詳細には移動体通信システムにおける基地局等に用いられる複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device, and more particularly to an omnidirectional antenna device in a horizontal plane that can handle a plurality of polarized waves used in a base station or the like in a mobile communication system.
携帯電話の基地局アンテナにおいて、複数のパッチアンテナをアレイ状に配置して水平面内で全方向性パターンを確保しようとするものが知られている。こうしたアンテナ装置の例として、特許文献1乃至3に記載のアンテナ装置を参照することができる。
特許文献1乃至3に記載のアンテナ装置は、多角形筒や円筒の形状を有する基板の外周表面上に複数のパッチアンテナを用いてアンテナアレイを形成し、これによって水平面内全方向性パターン放射を行うように構成されている。
In the antenna devices described in Patent Documents 1 to 3, an antenna array is formed by using a plurality of patch antennas on the outer peripheral surface of a substrate having a polygonal cylinder or cylinder shape, thereby generating omnidirectional pattern radiation in a horizontal plane. Configured to do.
しかしながら、このように筒形の表面上に複数のパッチアンテナをアレイ状に配置して構成されるアンテナ装置においては、通常、水平面内の全方向性パターンが2〜3dB程度の変動を有しており、均一の全方向性放射パターンを実現することは難しい。また、従来このようなアンテナ装置は単一の偏波にしか対応しておらず、さらなる通信品質向上のために偏波ダイバーシティの適用を想定すれば、複数偏波に対応可能であることが望ましい。 However, in an antenna device configured by arranging a plurality of patch antennas in an array on the cylindrical surface in this way, the omnidirectional pattern in the horizontal plane usually has a fluctuation of about 2 to 3 dB. Therefore, it is difficult to realize a uniform omnidirectional radiation pattern. Conventionally, such an antenna device is only compatible with a single polarization, and it is desirable to be able to support a plurality of polarizations when assuming application of polarization diversity for further improvement in communication quality. .
さらに、パッチアンテナアレイを備えた水平偏波全方向性アンテナ装置は、概して、モノポールアンテナやダイポールアンテナ等の代表的な垂直偏波全方向性アンテナ装置と比較して構造が複雑になる。したがって、製造誤差がアンテナの諸特性に与える影響を少なくすることにも考慮が必要である。そして、複数のパッチアンテナを用いることから、アンテナ装置が大型化しないよう配置を工夫することも求められる。 Further, the horizontally polarized omnidirectional antenna device provided with the patch antenna array generally has a complicated structure as compared with typical vertically polarized omnidirectional antenna devices such as a monopole antenna and a dipole antenna. Therefore, it is necessary to consider reducing the influence of manufacturing errors on various characteristics of the antenna. Since a plurality of patch antennas are used, it is also required to devise an arrangement so that the antenna device does not increase in size.
これらの点に鑑み、本発明が提供する複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置は、円筒形の導体と、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有する第1段のパッチアンテナアレイと、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有し導体の円筒軸を中心に第1段のパッチアンテナから回転移動させた位置に第1段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第2段のパッチアンテナアレイとを備える。第1段および第2段のパッチアンテナアレイを構成する各パッチアンテナはそれぞれ同一の給電回路により給電される2つの給電ポートを有し、各給電ポートは位相差給電される。 In view of these points, the horizontal plane omnidirectional antenna device provided by the present invention that can handle multiple polarizations is arranged at equal intervals from the outer peripheral surface around the circumference of the cylindrical conductor and the circumference of the conductor. A first-stage patch antenna array having four patch antennas and four patch antennas arranged at equal intervals from the outer peripheral surface around the circumference of the conductor, and centering on the cylindrical axis of the conductor A second-stage patch antenna array disposed in parallel with the first-stage patch antenna array at a position rotationally moved from the first-stage patch antenna; Each patch antenna constituting the first-stage and second-stage patch antenna arrays has two feeding ports fed by the same feeding circuit, and each feeding port is fed with phase difference feeding.
また、本発明がさらに提供する複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置は、円筒形の導体と、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有する第1段のパッチアンテナアレイと、導体の円周まわりに外周表面から等距離に互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有し導体の円筒軸を中心に第1段のパッチアンテナを回転移動させた位置に第1段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第2段のパッチアンテナアレイとを備え、第1段のパッチアンテナアレイと第2段のパッチアンテナアレイとを一組として複数の組が導体の外周に沿って平衡に配置され、第1段及び第2段のパッチアンテナアレイを構成する各パッチアンテナはそれぞれ同一の給電回路により給電される2つの給電ポートを有し、各給電ポートは位相差給電される。 Further, the horizontal plane omnidirectional antenna device further capable of supporting a plurality of polarized waves provided by the present invention is arranged with a cylindrical conductor and equidistant from the outer peripheral surface around the circumference of the conductor. A first-stage patch antenna array having two patch antennas, and four patch antennas arranged equidistantly from the outer peripheral surface around the circumference of the conductor and having a first axis centered on the cylindrical axis of the conductor A second-stage patch antenna array disposed in parallel to the first-stage patch antenna array at a position where the first patch antenna array is rotated, and the first-stage patch antenna array and the second-stage patch antenna array; A plurality of sets are arranged in a balanced manner along the outer periphery of the conductor, and the patch antennas constituting the first-stage and second-stage patch antenna arrays are supplied by the same feeder circuit. Has two feeding ports, each feeding port is powered phase difference.
これらのアンテナ装置において、第1段のパッチアンテナアレイと第2段のパッチアンテナアレイとは、導体の円筒軸を中心に一方が他方から45°回転移動させた位置に配置され、各パッチアンテナの各給電ポートは+45°位相差または−45°位相差で給電され、+45°偏波または−45°偏波の送受信を行う。 In these antenna devices, the first-stage patch antenna array and the second-stage patch antenna array are arranged at positions where one is rotated by 45 ° from the other around the cylindrical axis of the conductor, Each power feeding port is fed with a + 45 ° phase difference or −45 ° phase difference, and transmits / receives + 45 ° polarization or −45 ° polarization.
あるいは、これらのアンテナ装置において、各パッチアンテナの各給電ポートはさらに、同相給電、逆相給電、+90°位相差給電または−90°位相差給電され、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行ってもよい。さらに、本発明のアンテナ装置において、各パッチアンテナは、円形またはパッチの中心を通る水平軸、垂直軸若しくは45°軸に関して対称な4×n多角形の形状を有する。 Alternatively, in these antenna devices, each feeding port of each patch antenna is further supplied with in-phase feeding, anti-phase feeding, + 90 ° phase difference feeding or −90 ° phase difference feeding, and vertically polarized waves, horizontally polarized waves, right-handed circles. Polarization or left-hand circular polarization may be transmitted and received. Furthermore, in the antenna device of the present invention, each patch antenna has a circular shape or a 4 × n polygonal shape that is symmetric with respect to a horizontal axis, a vertical axis, or a 45 ° axis passing through the center of the patch.
本発明のアンテナ装置は、第1段のパッチアンテナアレイと第2段のパッチアンテナアレイとが、導体の円筒軸を中心に一方が他方から回転移動させた位置に配置された構成とすることによって従来のアンテナ装置よりも水平面内の全方向性を改善し、均等な水平面内全方向パターンを得ることが可能である。また、複数偏波に対する給電回路を同一とすることによって給電ポート間のアイソレーションを高くすることができ、各々の給電ポートの反射特性を良好にすることができる。複数のパッチアンテナは互い違いに配置するため、アンテナ装置の大型化が回避される。 The antenna device of the present invention has a configuration in which the first-stage patch antenna array and the second-stage patch antenna array are arranged at positions where one is rotated from the other around the cylindrical axis of the conductor. It is possible to improve the omnidirectionality in the horizontal plane as compared with the conventional antenna device, and obtain a uniform horizontal omnidirectional pattern. Further, by making the power supply circuits for a plurality of polarized waves the same, the isolation between the power supply ports can be increased, and the reflection characteristics of each power supply port can be improved. Since the plurality of patch antennas are arranged alternately, an increase in the size of the antenna device is avoided.
したがって、本発明によれば、小型・細径で2つの給電ポート間のアイソレーション特性が良好であり、且つ各々の給電ポートの反射特性が良好な、複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置を提供することができる。さらに、給電回路の構成により垂直偏波、水平偏波、右旋/左旋円偏波の送受信を可能とすることもできる。 Therefore, according to the present invention, all directions in a horizontal plane capable of dealing with a plurality of polarized waves having a small size, a small diameter, good isolation characteristics between two power supply ports, and good reflection characteristics of each power supply port. A directional antenna device can be provided. Furthermore, transmission / reception of vertically polarized waves, horizontally polarized waves, and right / left-handed circularly polarized waves can be made possible by the configuration of the feeding circuit.
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を説明する。
図1に示すのは、本発明の一実施例による水平面内全方向性アンテナ装置である。アンテナ装置100は、円筒形の導体20と、導体20の外周に配置された第1段のパッチアンテナアレイ11および第2段のパッチアンテナアレイ12とから構成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a horizontal omnidirectional antenna apparatus according to an embodiment of the present invention. The
図2(a)および(b)は、第1段のパッチアンテナアレイ11および第2段のパッチアンテナアレイ12の各パッチアンテナの位置関係を示すアンテナ装置100の上面図である。図示するように、第1段のパッチアンテナアレイ11は、円筒形の導体20の外周に90°間隔で配置された4つのパッチアンテナ10a、10b、10c、10dから構成されている。また、第2段のパッチアンテナアレイ12は、円筒軸を中心にパッチアンテナ10a、10b、10c、10dを45°回転させた位置に、90°間隔で配置された4つのパッチアンテナ10e、10f、10g、10hから構成されている。
FIGS. 2A and 2B are top views of the
各パッチアンテナ10は、例えば図3(a)に示すように導体20の外周を被覆する誘電体31の表面上に配置される。あるいは、図3(b)に示すように、誘電体からなる支柱32を用いて導体20上に配置されてもよい。このとき、パッチアンテナ10と導体20との間の距離が遠すぎると所望しない偏波が放射されてしまい、好ましくない。また、近すぎるとアンテナが狭帯域になってしまうという問題がある。したがって、パッチアンテナ10はこれらの問題を考慮し、必要な帯域に応じて適宜配置する。
Each
図4は、アンテナ装置100の構成を平面上に概略的に示したものである。各パッチアンテナ10a〜10hはそれぞれ2つの給電ポート1,1′、2,2′・・・を備えており、各給電ポート1,1′、2,2′・・・はそれぞれ同一の給電回路により+45°位相差または−45°位相差で給電される。給電は、導体20の内部から図示しないピン等を介して行われる。
ここで、このような2段のパッチアンテナアレイを備えたアンテナ装置100の動作の説明に先立ち、図6乃至8を参照して、パッチアンテナアレイを1段のみとして構成したアンテナ装置について述べる。
FIG. 4 schematically shows the configuration of the
Here, prior to the description of the operation of the
図6に示すのは、円筒形の導体20と、導体20の外周に配置された1段のパッチアンテナアレイ13とからなるアンテナ装置110である。このアンテナ装置110において、パッチアンテナアレイ13は、導体20の外周に90°間隔で配置された4つのパッチアンテナ10i、10j、10k、10lから構成される。
FIG. 6 shows an
図7はアンテナ装置110の構成を平面上に概略的に示したものである。各パッチアンテナ10i〜10lはそれぞれ給電ポート1、2、3、4を備えており、各給電ポート1〜4はパッチアンテナ10i〜10lの配置の角度に対応する位相差、すなわち90°の位相差で給電される。このとき、例えば導体20の外周を3λ、パッチアンテナエレメントの大きさ及び形状を一辺がλ/2の正方形とすると、各パッチアンテナ10i〜10lは互いにλ/4程度離隔して配置される。各パッチアンテナ10i〜10lへの給電位相を考えた場合、例えば、位相差は図7の表に示すような2種類が考えられる。
FIG. 7 schematically shows the configuration of the
図8は、このアンテナ装置110の水平面放射パターン変動を表した図である。図示するように、アンテナ装置110の水平面放射パターンは、方位角AZ0°〜360°で4Hzの変動を有する。すなわち、パッチアンテナアレイが1段のみであると、水平面の放射パターンにゆらぎが現れ、均一な全方向性を実現することが難しい。
FIG. 8 is a diagram showing a horizontal plane radiation pattern variation of the
そこで、このゆらぎを打ち消すために、本発明の一実施例によるアンテナ装置100においては、2段のパッチアンテナアレイを組み合わせて用いる。前述したように、第1段のアンテナアレイ11と第2段のアンテナアレイ12とは、導体20の円筒軸を中心に45°ずらして配置される。したがって、導体20上の各パッチアンテナ10a〜10dと10e〜10hとは互い違いに45°間隔で配置されることとなる。そして、各パッチアンテナ10a〜10hの給電ポート1〜8では、配置の角度に対応する+45°位相差で給電が行われる。
Therefore, in order to cancel this fluctuation, the
図5はこのようなアンテナ装置100の水平面でのパターン変動を示すものである。図示するように、このアンテナ装置100においては、水平面の放射パターンが方位角AZ0°〜360°の全方向についてほぼ均一となる。すなわち、アンテナアレイを1段しか有さないアンテナ装置110に比べ、水平面内の全方向性を向上できることがわかる。
FIG. 5 shows the pattern variation on the horizontal plane of such an
このように、2段のアンテナアレイ11および12を備えることにより、アンテナ装置100では良好な水平面内全方向性を実現することができる。また、アンテナアレイを複数備えた多段構成とすることで、ゲインアップを図ることができる。よって、例えば図9に示す本発明の別の実施例のように、第1段のアンテナアレイ11と第2段のアンテナアレイ12とを1組とし、これを円筒形の導体20の外周に複数組(11a,12a、11b,12b・・・)スタックしたアンテナ装置120とすることも可能である。
As described above, by providing the two-
ところで、図1および図6に示したような2段または1段のアンテナアレイを備えた構成のアンテナ装置100および110においては、実際には、前述した位相給電よりも同相給電を行ったほうが放射パターンの変動を小さく抑えることができる。しかしながら、これらのアンテナ装置において位相給電を行うこととしているのは、次のような利点を有するためである。
By the way, in the
アンテナ装置100および110において、各パッチアンテナ10は円筒形の導体20上に対称配置されており、各々の反射特性および直交ポート間(例えばポート1とポート1′との間)の通過特性は同一である。ここで、図10に示すのは給電回路の一例である。本発明において、第1段のアンテナアレイ11を構成するパッチアンテナ10a〜10dの給電回路を図10に示すように構成した場合、各パッチアンテナ10a〜10dの反射波は、90°ハイブリッド回路40a〜40dのアイソレーションポートには現れるが、180°ハイブリッド回路501および502につながるポートには現れない。同様に、各パッチアンテナ10a〜10dの通過波も、90°ハイブリッド回路40a〜40dのアイソレーションポートのみに現れ、180°ハイブリッド回路501および502につながるポートには現れない。
In the
このように、製造誤差等によって発生する反射特性、アイソレーション特性、全方向性等の特性不良の大部分を90°ハイブリッド回路のアイソレーションポートによって吸収することができるため、製品不良率の改善に大きく貢献することができる。 In this way, most of the characteristic defects such as reflection characteristics, isolation characteristics, and omnidirectionality caused by manufacturing errors can be absorbed by the 90 ° hybrid circuit isolation port, which improves the product defect rate. It can contribute greatly.
これに対し、同相給電を行った場合、各パッチアンテナ10a〜10dの反射特性、直交ポート間通過特性はそのまま±45°偏波ポートに現れる。すなわち、位相差給電の場合と異なり、製造誤差等によって発生する反射特性、アイソレーション特性、全方向性等の特性不良はそのまま±45°偏波ポートに現れてしまう。さらに、±45°偏波ポートが完全整合でなければ給電回路内の多重反射が発生し、全方向性や偏波分離特性を劣化させてしまうという問題もある。そのため、位相差給電を行うことがより好ましいといえる。
On the other hand, when in-phase power feeding is performed, the reflection characteristics and the orthogonal port passing characteristics of the
なお、図10に示す給電回路には、180°ハイブリッド回路501および502の±45°偏波ポートに図11(a)に示すような90°ハイブリッド回路や図11(b)に示すような180°ハイブリッド回路をさらに接続することも可能である。これにより、右旋/左旋円偏波、垂直/水平偏波の2偏波用アンテナを構成することができる。
10 includes a 90 ° hybrid circuit as shown in FIG. 11A or a 180 ° as shown in FIG. 11B at the ± 45 ° polarization ports of the 180 °
また、本発明のアンテナ装置において、パッチアンテナのアンテナエレメント形状は正方形に限られず、直交2偏波が放射できる形状、すなわちパッチの中心を通る水平軸、垂直軸、45°軸に関して対称な形状であればどのような形であってもよい。したがって、図12(a)に示すように円形としてもよいし、あるいは図12(b)〜(d)に示すような4×n多角形とすることができる。いずれの形状であっても、正方形の場合と同様の性能を実現することが可能である。 In the antenna device of the present invention, the antenna element shape of the patch antenna is not limited to a square, but a shape that can radiate two orthogonally polarized waves, that is, a shape that is symmetric with respect to a horizontal axis, a vertical axis, and a 45 ° axis passing through the center of the patch. Any shape is acceptable. Therefore, it may be circular as shown in FIG. 12 (a), or it may be a 4 × n polygon as shown in FIGS. 12 (b) to 12 (d). Regardless of the shape, it is possible to achieve the same performance as in the case of a square.
以上、本発明の好適な実施例を説明したが、本発明はこれに限られることなく、例えばパッチアンテナの配置や給電方法を適宜変更することにより、他にも様々に実施することができる。
したがって、各パッチアンテナの給電ポートで同相給電、逆相給電、+90°位相差給電または−90°位相差給電を行い、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行うことのできるアンテナ装置とすることも可能である。
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various other embodiments can be implemented by appropriately changing the arrangement of the patch antenna and the feeding method, for example.
Therefore, in-phase feeding, reverse phase feeding, + 90 ° phase difference feeding or -90 ° phase difference feeding is performed at the feeding port of each patch antenna, and vertical polarization, horizontal polarization, right-handed circular polarization, or left-handed circular polarization An antenna device capable of transmitting and receiving can also be used.
100、110、120 アンテナ装置
10、10a〜10l パッチアンテナ
11、11a〜11e 第1段のパッチアンテナアレイ
12、12a〜12e 第2段のパッチアンテナアレイ
13 パッチアンテナアレイ
20 導体
31、32 誘電体
40a〜40d 90°ハイブリッド回路
501、502 180°ハイブリッド回路
100, 110, 120
Claims (5)
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有する第1段のパッチアンテナアレイと、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有し、前記導体の円筒軸を中心に前記第1段のパッチアンテナから回転移動させた位置に前記第1段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第2段のパッチアンテナアレイと、
を備え、
前記第1段および第2段のパッチアンテナアレイを構成する前記各パッチアンテナは、それぞれ同一の給電回路により給電される2つの給電ポートを有し、
前記各給電ポートは位相差給電されることを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。 A cylindrical conductor;
A first-stage patch antenna array having four patch antennas arranged equidistantly around the circumference of the conductor and equidistant from the outer peripheral surface;
A position having four patch antennas arranged equidistantly from the outer circumferential surface around the circumference of the conductor and rotated from the first stage patch antenna about the cylindrical axis of the conductor A second-stage patch antenna array disposed in parallel with the first-stage patch antenna array;
With
Each of the patch antennas constituting the first-stage and second-stage patch antenna arrays has two feeding ports that are fed by the same feeding circuit,
An omnidirectional array antenna device in a horizontal plane capable of supporting a plurality of polarized waves, wherein each of the feeding ports is fed with a phase difference.
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有する第1段のパッチアンテナアレイと、
前記導体の円周まわりに外周表面から等距離に、互いに等間隔に配置された4つのパッチアンテナを有し、前記導体の円筒軸を中心に前記第1段のパッチアンテナを回転移動させた位置に前記第1段のパッチアンテナアレイと平行に配置された第2段のパッチアンテナアレイと、
を備え、
前記第1段のパッチアンテナアレイと前記第2段のパッチアンテナアレイとを一組として複数の前記組が前記導体の外周に沿って平行に配置され、
前記第1段および第2段のパッチアンテナアレイを構成する前記各パッチアンテナは、それぞれ同一の給電回路により給電される2つの給電ポートを有し、
前記各給電ポートは位相差給電されることを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。 A cylindrical conductor;
A first-stage patch antenna array having four patch antennas arranged equidistantly around the circumference of the conductor and equidistant from the outer peripheral surface;
A position having four patch antennas arranged equidistantly from the outer circumferential surface around the circumference of the conductor, and the first stage patch antenna being rotated around the cylindrical axis of the conductor A second-stage patch antenna array disposed in parallel with the first-stage patch antenna array;
With
A plurality of sets of the first-stage patch antenna array and the second-stage patch antenna array are arranged in parallel along the outer periphery of the conductor,
Each of the patch antennas constituting the first-stage and second-stage patch antenna arrays has two feeding ports that are fed by the same feeding circuit,
An omnidirectional array antenna device in a horizontal plane capable of supporting a plurality of polarized waves, wherein each of the feeding ports is fed with a phase difference.
前記第1段のパッチアンテナアレイと前記第2段のパッチアンテナアレイとは、前記導体の円筒軸を中心に一方が他方から45°回転移動させた位置に配置され、
前記各パッチアンテナの前記各給電ポートは+45°位相差または−45°位相差で給電され、+45°偏波または−45°偏波の送受信を行うことを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1 or 2,
The first-stage patch antenna array and the second-stage patch antenna array are arranged at positions where one is rotated by 45 ° from the other around the cylindrical axis of the conductor,
Each feeding port of each patch antenna is fed with a + 45 ° phase difference or −45 ° phase difference and can transmit / receive a + 45 ° polarized wave or −45 ° polarized wave. Horizontal plane omnidirectional array antenna device.
前記各パッチアンテナの前記各給電ポートはさらに、同相給電、逆相給電、+90°位相差給電または−90°位相差給電され、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波または左旋円偏波の送受信を行うことを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アレイアンテナ装置。 The antenna device according to claim 3, wherein
Each feeding port of each patch antenna is further supplied with in-phase feeding, anti-phase feeding, + 90 ° phase difference feeding or −90 ° phase difference feeding, and vertically polarized waves, horizontally polarized waves, right-handed circularly polarized waves, or left-handed circularly polarized waves. An omnidirectional array antenna device in a horizontal plane capable of dealing with a plurality of polarized waves, characterized by transmitting and receiving waves.
前記各パッチアンテナは、円形またはパッチの中心を通る水平軸、垂直軸若しくは45°軸に関して対称な4×n多角形の形状を有することを特徴とする複数偏波に対応可能な水平面内全方向性アンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 1 to 4,
Each patch antenna has a circular shape or a 4 × n polygonal shape symmetric with respect to a horizontal axis, a vertical axis, or a 45 ° axis passing through the center of the patch. Antenna device.
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