JP2012191474A - 誘電体導波管フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】高域側の減衰特性が低域側の減衰特性に比べて劣化が少ない有極型誘電体導波管フィルタを提供する。
【解決手段】
直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した複数の誘電体導波管共振器を、誘導性結合および容量性結合で構成した主結合路と、前記主結合路を飛び越し結合する誘導性結合または容量性結合からなる副結合路とで構成し、
前記副結合路により飛び越された主結合路には、少なくとも１つ以上の容量性結合を含む
誘電体導波管フィルタとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は誘電体導波管共振器を複数結合した誘電体導波管フィルタに関する。

携帯電話等の基地局では、無線通信のチャンネルを可能な限り隣接させて周波数資源を有効活用するために、チャンネル間の干渉を防止する急峻な減衰特性を持つバンドパスフィルタが必要である。大きくて重い金属製のキャビティ共振器に代わり、小型、軽量な誘電体導波管共振器を用いた誘電体導波管フィルタと呼ばれるバンドパスフィルタを使用すれば、基地局の小型軽量化と低コスト化を図ることができる。

誘電体導波管フィルタは、周囲を導体膜で覆われた誘電体ブロックの一部に誘電体の露出する結合窓を設けた誘電体導波管共振器が複数組み合わされ、密着して配置されている。誘電体導波管共振器は結合窓で電磁気的に結合される。長手方向が電界の方向と同じ結合窓を誘導性窓、長手方向が電界の方向と直交する窓を容量性窓と呼び、誘導性窓は誘電体導波管共振器の間を誘導性結合し、容量性窓は誘電体導波管共振器の間を容量性結合する。

一般的に、バンドパスフィルタの減衰特性を急峻にするには、フィルタを構成する共振器の数を増やす。
しかし、誘電体導波管共振器の無負荷Ｑは、金属製のキャビティ共振器の無負荷Ｑに比べて低い。したがって、誘電体導波管フィルタの誘電体導波管共振器の数を増やすと、フィルタの通過帯域内での挿入損失が増えてしまう。そこで、共振器の数を増やさずに、挿入損失が小さく急峻な減衰特性のフィルタを得るために、飛び越し結合を用いて有極化する。

図８は、飛び越し結合を用いて有極化した従来の誘電体導波管フィルタの例であり、図８（ａ）は分解斜視図を示し、図８（ｂ）は等価回路図を示す。図８に示すように、従来の誘電体導波管フィルタ８は、直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した誘電体導波管共振器８１〜８６からなる。
誘電体導波管共振器８１は入力のための誘導性窓Ｌ_８１を具え、誘電体導波管共振器８６は出力のための誘導性窓Ｌ_８７を具える。
誘電体導波管共振器８１〜８６は誘導性窓Ｌ_８２〜Ｌ_８６で直列に結合され、
誘電体導波管共振器８２と８５の間は容量性窓Ｃ_８０により飛び越し結合されている。
ここで、従来の誘電体導波管フィルタ８において、誘電体導波管共振器８１、８２、８３、８４、８５、８６を通る結合路を主結合路、誘電体導波管共振器８１、８２、８５、８６を通る結合路を副結合路という。
誘電体導波管フィルタは、主結合路に対する副結合路の透過位相と透過振幅を調整して有極化する。

図９は、周波数に対する透過位相の変化を説明する図である。図９（ａ）において、実線は誘導性結合、破線は容量性結合の透過位相を示し、図９（ｂ）は誘電体導波管共振器の透過位相を示す。
図９（ａ）に示すように、誘導性結合と容量性結合の透過位相は周波数に関わらずほぼ一定であり、誘導性結合は位相を約９０°進ませる作用があり、容量性結合は位相を約９０°遅らせる作用がある。
また、図９（ｂ）に示すように、誘電体導波管共振器の透過位相は、誘電体導波管共振器の共振周波数ｆ０より低周波側では位相が９０°遅れ、共振周波数ｆ０より高周波側では位相が９０°進む。
また、図示はしないが、複数の誘電体導波管共振器を直列に結合する場合は、誘電体導波管共振器の数が多いほど透過位相の傾きは急峻になる。
上記の特性を利用して、誘導性結合と容量性結合とを組み合わせて、主結合路を伝わる信号と副結合路を伝わる信号とを逆位相かつ同振幅となるように設計する。例えば、図８に示した誘電体導波管フィルタでは、低域側と高域側の両方において、主結合路を伝わる信号と副結合路を伝わる信号が逆位相となる。

図１０は、図８に示した誘電体導波管フィルタの透過振幅の周波数特性を示し、図１０（ａ）は主結合路と副結合路の透過振幅の周波数特性を示し、実線は主結合路、破線は副結合路を示す。図１０（ｂ）は、主結合路を伝わる信号と副結合路を伝わる信号を合成して得られる、誘電体導波管フィルタの透過振幅の周波数特性を示す。図１０において、フィルタの中心周波数はｆ０であり、主結合路と副結合路の透過振幅が一致する周波数で、減衰極ｆａとｆｂが生じている。

特開２０００−２８６６０６号公報

Ｊ．Ｂｒａｉｎ Ｔｈｏｍａｓ著、「Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ Ｃｏａｘｉａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｆｉｌｔｅｒｓ−Ａ Ｔｕｔｏｒｉａｌ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ、ＶＯＬ．５１、ＮＯ．４、ＡＰＲＩＬ ２００３、Ｐ１３６８

図１０において、減衰極ｆｂと中心周波数ｆ０との距離は、減衰極ｆａと中心周波数ｆ０との距離に比べて離れている。これは容量性結合がローパスフィルタのような性質を持っているために生じる。

図１１は、容量性結合と誘導性結合の透過振幅の周波数特性を示すグラフである。実線は誘導性結合を示し、破線は容量性結合を示す。図１１に示すように、誘導性結合は周波数が高くなるにつれて透過振幅が徐々に大きくなり、容量性結合は周波数が高くなるにつれて透過振幅が徐々に小さくなる。このように、誘導性結合はハイパスフィルタ、容量性結合はローパスフィルタのような性質をもっている。
従来の誘電体導波管フィルタの主結合路は、ハイパスフィルタのような性質をもつ誘導性結合を副結合路より多く含んでいるので、主結合路の透過振幅は、高域側の減衰傾度が低域側の減衰傾度より緩くなる。そのため、高域側において、主結合路と副結合路の透過振幅が一致する点が、周波数の高い側にシフトする。その結果、高域側の減衰極は、低域側の減衰極と比べて中心周波数からの距離が離れ、誘電体導波管フィルタの高域側の減衰特性が、低域側の減衰特性に比べて緩慢になるという欠点がある。

上記の問題を解決するために、本発明の誘電体導波管フィルタは、
直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した複数の誘電体導波管共振器を結合して構成する誘電体導波管フィルタにおいて、
前記複数の誘電体導波管共振器を直列に結合した誘導性結合および容量性結合を含む主結合路と、
前記主結合路の一部を飛び越して結合する少なくとも一つ以上の誘導性結合または容量性結合を含む副結合路とを具え、
前記副結合路により飛び越された主結合路には、少なくとも１つ以上の容量性結合を含む
ことを特徴とする。

さらに本発明の誘電体導波管フィルタは、
前記容量性結合に、前記誘電体導波管共振器よりも高い誘電率の誘電体板を用いた
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、主結合路の一部に容量性結合を用いたので、高域側の減衰極が中心周波数に近づき、高域と低域の両側の減衰特性が急峻な誘電体導波管フィルタを得ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、前記容量性結合に、誘電体導波管共振器よりも誘電率の高い誘電体板を挟んだので、容量性窓の短手方向の間隔を広げることができ、大電力を入力した場合でも、放電する虞の少ない誘電体導波管フィルタとすることができる。

本発明の第１の実施例を説明する図である。 図１の誘電体導波管フィルタの特性のグラフである。 本発明の第２の実施例を説明する図である。 図３の誘電体導波管フィルタの特性のグラフである。 結合窓の寸法と結合係数の関係を説明するグラフである。 誘電体板の厚さおよび比誘電率に対する透過位相と反射位相の関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施例を説明する図である。 従来の誘電体導波管フィルタの例を説明する図である。 周波数に対する透過位相の関係を示すグラフである。 従来の誘電体導波管フィルタの透過振幅と減衰極との関係を説明するグラフである。 誘導性結合と容量性結合の透過振幅の周波数特性を説明するグラフである。

以下、図面を用いて本発明の誘電体導波管フィルタの第１の実施例を説明する。
図１は、本発明の誘電体導波管フィルタの第１の実施例を示し、図１（ａ）は分解斜視図、図１（ｂ）は等価回路図を示す。図１に示すように、誘電体導波管フィルタ１は、直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した誘電体導波管共振器１１〜１６からなる。
誘電体導波管共振器１１は入力のための誘導性窓Ｌ_１１を具え、誘電体導波管共振器１６は出力のための誘導性窓Ｌ_１７を具える。誘電体導波管共振器１１〜１３は誘導性窓Ｌ_１２〜Ｌ_１３で結合され、誘電体導波管共振器１４〜１６は誘導性窓Ｌ_１５〜Ｌ_１６で結合され、誘電体導波管共振器１３、１４は容量性窓Ｃ_１４で結合され、誘電体導波管共振器１２、１５は誘導性窓Ｌ_１０で結合されている。

その結果、本発明の誘電体導波管フィルタ１は、誘電体導波管共振器１１、１２、１３、１４、１５、１６を通る主結合路と、誘電体導波管共振器１１、１２、１５、１６を通る副結合路とを具えている。
すなわち、副結合路は誘電体導波管共振器１３、１４を飛び越していて、副結合路により飛び越された主結合路は容量性結合Ｃ_１４を含んでいる。

図２は、図１の誘電体導波管フィルタのシミュレーション結果であり、図２（ａ）は、本発明の第１の実施例における主結合路と副結合路の透過振幅の周波数特性を示し、実線は主結合路を示し、破線は副結合路を示す。図２（ｂ）は、本発明の誘電体導波管フィルタと従来の誘電体導波管フィルタの透過振幅の周波数特性を示し、実線は本発明の誘電体導波管フィルタの第１の実施例を示し、破線は比較のための従来の誘電体導波管フィルタを示す。図２においてｆ_０はフィルタの中心周波数、ｆ_ａは低域側の減衰極、ｆ_ｂは従来の誘電体導波管フィルタの場合の高域側の減衰極、ｆ_ｂ１は本発明の誘電体導波管フィルタの高域側の減衰極を示す。
なお、誘電体導波管共振器１１〜１６の比誘電率は２１、
誘電体導波管共振器１１と１６は、幅（Ｘ軸方向）１８ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１４．７ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘電体導波管共振器１２と１５は、幅（Ｘ軸方向）１８ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１６．３ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘電体導波管共振器１３と１４は、幅（Ｘ軸方向）１８ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１９ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_１１とＬ_１７は、幅（Ｘ軸方向）１０．４ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_１２、Ｌ_１６は、幅（Ｘ軸方向）７．３ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_１３、Ｌ_１５は、幅（Ｘ軸方向）６．７ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_１０は、幅（Ｙ軸方向）３．２ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
容量性窓Ｃ_１４は、幅（Ｙ軸方向）１９ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）０．２ｍｍであり、
誘電体導波管共振器１１〜１６は底面を揃えて配置され、容量性窓Ｃ_１４は誘電体導波管共振器１３、１４の底面側に偏って配置されている。

図２（ａ）に示すように、本発明の誘電体導波管フィルタは、主結合路上のハイパスフィルタのような性質をもつ誘導性結合のうちの一つを、ローパスフィルタのような性質をもつ容量性結合に置き換えたので、図中Ａに示すように主結合路の高域側の透過振幅が、従来の誘電体導波管フィルタの透過振幅に比べて、やや急峻になるように移動する。
また、副結合路上のローパスフィルタのような性質をもつ容量性結合を、ハイパスフィルタのような性質をもつ誘導性結合に置き変えたので、図中Ｂに示すように副結合路の高域側の透過振幅が、従来の誘電体導波管フィルタの透過振幅に比べて、緩慢になるように移動する。
その結果、図２（ｂ）に示すように、主結合路と副結合路の透過振幅が一致する点で生じる高域側の減衰極ｆ_ｂは、図中Ｃで示すように中心周波数ｆ_０に近づいて、ｆ_ｂ１の位置となり、高域側の減衰特性が緩慢にならない誘電体導波管フィルタを得ることができる。
なお、図２（ｂ）において、実線は本発明の第１の実施例の誘電体導波管フィルタの特性を示し、破線は比較のための従来の誘電体導波管フィルタの特性を示す。

図３は、本発明の誘電体導波管フィルタの第２の実施例であり、図３（ａ）は分解斜視図を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）の分解斜視図の一部を詳しく説明する図であり、図３（ｃ）は等価回路図を示す。
図３に示すように、誘電体導波管フィルタ３は、直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した誘電体導波管共振器３１〜３６と、周囲を導体膜で被覆した誘電体板３７からなる。
誘電体導波管共振器３１は入力のための誘導性窓Ｌ_３１を具え、誘電体導波管共振器３６は出力のための誘導性窓Ｌ_３７を具える。誘電体導波管共振器３１〜３３は誘導性窓Ｌ_３２〜Ｌ_３３で直列に結合され、誘電体導波管共振器３４〜３６は誘導性窓Ｌ_３５〜Ｌ_３６で直列に結合され、誘電体導波管共振器３３、３４は誘電体板３７を介して容量性窓Ｃ_３４で結合され、誘電体導波管共振器３２と３５の間は誘導性窓Ｌ_３０で飛び越し結合されている。なお、誘電体板３７には、容量性窓Ｃ_３４と同じ位置に、容量性窓Ｃ_３４と同じ寸法の窓Ｃ_３７が設けられている。
図３において、誘電体導波管共振器３１〜３６の比誘電率は２１、
誘電体導波管共振器３１と３６は、幅（Ｘ軸方向）１８ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１４．８ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘電体導波管共振器３２と３５は、幅（Ｘ軸方向）１９．９ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１５ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘電体導波管共振器３３と３４は、幅（Ｘ軸方向）１８．３ｍｍ、長さ（Ｙ軸方向）１８ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）８ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_３１とＬ_３７は、幅（Ｘ軸方向）１０．４ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_３２、Ｌ_３６は、幅（Ｘ軸方向）７．３ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_３３、Ｌ_３５は、幅（Ｘ軸方向）６．５ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘導性窓Ｌ_３０は、幅（Ｙ軸方向）４．７ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）６ｍｍ、
誘電体板３７は、幅（Ｙ軸方向）１８ｍｍ、厚さ（Ｘ軸方向）２ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）５．３ｍｍ、
容量性窓Ｃ_３４は、幅（Ｙ軸方向）１３ｍｍ、高さ（Ｚ軸方向）２．３ｍｍであり、容量性窓Ｃ_３４の中心は誘電体板３７の側面（ＹＺ面）の中心と一致しており、
誘電体導波管共振器３１〜３６と誘電体板３７は底面を揃えて配置されている。
なお、誘電体板３７の幅Ｙ_３７は、隣接する誘電体導波管共振器３３の幅Ｙ_３３または誘電体導波管共振器３４の幅Ｙ_３４とは同じにする必要はなく、誘電体板３７の高さＺ_３７は、隣接する誘電体共振器３３、３７の高さＺ_３と同じにする必要はない。

図４は、図３の本発明の誘電体導波管フィルタの、第２の実施例のシミュレーション結果を示すグラフであり、実線は本発明の誘電体導波管フィルタの第２の実施例を示し、破線は比較のための従来の誘電体導波管フィルタを示す。図４より、容量性結合に誘電体板を挟んだ場合においても、高域側で急峻な減衰特性が得られることがわかる。

ところで、容量性窓の短手方向の距離は、同じ大きさの結合係数を持つ誘導性窓の短手方向の距離に比べて極端に近くなる。また、図１に示した誘電体導波管フィルタは、フィルタの通過帯域では、副結合路よりも主結合路の方が透過振幅が大きいので、大電力が入力される場合は、電力の大部分は主結合路を通過する。
このため、主結合路上の容量性結合として容量性窓を用いた誘電体導波管フィルタは、容量性窓で電界が集中して放電が生じやすくなり、耐電力特性が劣化してしまう。
上記の問題を解決するため、図３に示した誘電体導波管フィルタは、容量性結合に、誘電体導波管共振器の誘電率より高い誘電率をもつ誘電体板を挟んでいる。

図５（ａ）は、試料として、２つの誘電体導波管共振器間に設けた結合窓の寸法と結合係数の関係を示すグラフである。図５（ｂ）〜（ｄ）は試料の構成を示す図である。
図５（ａ）において、縦軸は結合係数を示し、横軸は窓寸法を示す。
Ｘ印は、図５（ｂ）の構成に示すように、２つの誘電体導波管共振器５１、５１を容量性窓Ｃ_５１で結合し、容量性窓Ｃ_５１の窓寸法の高さｈ_５１を変化させた場合を示す。
三角印は、図５（ｃ）の構成に示すように、２つの誘電体導波管共振器５１、５１を誘導性窓Ｌ_５１で結合し、窓Ｌ_５１の窓寸法の幅ｗ_５１を変化させた場合を示す。
丸印は、図５（ｄ）の２つの誘電体導波管共振器５１、５１の間に誘電体板５２を挟み、誘電体板５２を介して容量性窓Ｃ_５１で２つの誘電体導波管共振器５１、５１を結合し、容量性窓Ｃ_５１の窓寸法の高さｈ_５１を変化させた場合を示す。
なお、誘電体導波管共振器５１、５１の比誘電率は２１、幅Ｙ_５１は１８ｍｍ、高さＺ_５１は８ｍｍであり、基本モード（ＴＥ１０１）で共振しており、その共振周波数は２．５ＧＨｚであることから、長さＸ_５１は決まる。
また、誘電体板５２は、比誘電率は９１であり、窓Ｃ_５２に該当する部分を除いて周囲が導体膜で被覆されており、厚さＸ_５２は２ｍｍ、幅Ｙ_５２は１８ｍｍ、高さＺ_５２は容量性窓の高さｈ_５１より１ｍｍ低く、窓Ｃ_５２の寸法は容量性窓Ｃ_５１と等しい。

図５（ａ）より、例えば所望の結合係数が０．０８である場合、容量性窓の高さは０．２ｍｍ程度だが、誘電体板を挟むことにより、容量性窓の高さを４．７ｍｍ程度に離すことができる。その結果、容量性窓での放電が生じにくくなり、耐電力特性が向上する。

図３に示した第２の実施例において、誘電体板３７の誘電率は、誘電体導波管共振器の誘電体ブロックの誘電率より高く、誘電体板３７の厚さＸ_３７は、誘電体板３７の厚さ方向（Ｘ軸方向）の管内波長に対して４分の１未満にする必要がある。理由は、下記の通りである。

図６は、図５（ｄ）の構成において、誘電体板５２の比誘電率または厚さを変化させた場合の反射位相と透過位相を示すグラフであり、図６（ａ）は誘電体板の比誘電率ε_ｒを変化させた場合であり、図６（ｂ）は誘電体板の厚さＸ_５２を変化させた場合であり、丸印は反射位相を示し、三角印は透過位相を示す。
図６において、誘電体板の比誘電率が誘電体導波管共振器の比誘電率である２１以下の場合と、誘電体板の厚さが誘電体板中の厚さ方向の管内波長の４分の１である３．５ｍｍ以上の場合に、透過位相が０°から−９０°の範囲から外れるとともに、反射位相の符号が正になっている。これは、誘電体導波管共振器の間の結合が容量性結合ではなくなることを意味する。したがって、誘電体板の誘電率は誘電体導波管共振器の誘電率より高く、誘電体板の厚さは誘電体板中の厚さ方向の管内波長の４分の１未満にしなければならない。

図７は、本発明の誘電体導波管フィルタの第３の実施例であり、図７（ａ）は分解斜視図を示し、図７（ｂ）は等価回路図を示す。
図７に示すように、誘電体導波管フィルタ７は、誘電体導波管共振器７１、７２、７３、７４、７５、７６を通る主結合路と、誘電体導波管共振器７１、７２、７５、７６および、７１、７６を通る２つの副結合路とを具えている。
このように、副結合路の数が複数であっても、副結合路により飛び越される主結合路上に容量性結合が一つ以上あればよく、飛び越し結合は容量性結合であってもよい。また、容量性結合には第２の実施例に示したように誘電体板を挟んでも良い。

以上述べたように、本発明の誘電体導波管フィルタは、
飛び越し結合により飛び越された主結合路上の、誘電体導波管共振器間の結合の少なくとも１つ以上に、容量性結合を用いることにより、通過帯域の高周波側の減衰特性を急峻にすることができる。
さらに、前記容量性結合は、誘電体板を挟むことにより、容量性窓の短手方向の距離を離すことができ、耐電力特性を向上させることができる。

１、３、７、８ 誘電体導波管フィルタ
１１〜１６、３１〜３６、５１、７１〜７６、８１〜８６ 誘電体導波管共振器
３７、５２ 誘電体板
Ｌ_１０〜Ｌ_１３、Ｌ_１５〜Ｌ_１７、Ｌ_３０〜Ｌ_３３、Ｌ_３５〜Ｌ_３７、Ｌ_５１、Ｌ_７０〜Ｌ_７３、Ｌ_７５〜Ｌ_７７、Ｌ_８１〜Ｌ_８７ 誘導性窓
Ｃ_１４、Ｃ_３４、Ｃ_５１、Ｃ_７４、Ｃ_７８、Ｃ_８０ 容量性窓
Ｃ_３７、Ｃ_５２ 窓

Claims (3)

1. 直方体形状の誘電体ブロックの周囲を導体膜で被覆した複数の誘電体導波管共振器を結合して構成する誘電体導波管フィルタにおいて、
   前記複数の誘電体導波管共振器を直列に結合した誘導性結合および容量性結合を含む主結合路と、
   前記主結合路の一部を飛び越して結合する少なくとも一つ以上の誘導性結合または容量性結合を含む副結合路とを具え、
   前記副結合路により飛び越された主結合路には、少なくとも１つ以上の容量性結合を含む
   ことを特徴とする誘電体導波管フィルタ。
2. 前記容量性結合は、前記誘電体導波管共振器よりも高い誘電率の誘電体板を用いた
   ことを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管フィルタ。
3. 前記誘電体板の厚さは、前記誘電体板の厚さ方向の管内波長の４分の１未満である
   ことを特徴とする請求項２記載の誘電体導波管フィルタ。

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