JP2012506186A - アンテナおよびアンテナを動作させるための方法 - Google Patents
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Abstract
第1のアンテナ素子(A1)と、第1の周波数を第1のアンテナ素子(A1)に給電するための第1の給電タブ(F1)と、第2の周波数を第1のアンテナ素子(A1)に給電するための第2の給電タブ(F2)と、第1のアンテナ素子(A1)を接地電位(GND)に短絡するために第1の給電タブ(F1)と第2の給電タブ(F2)との間に配置される第1の短絡タブ(S1)と、第1の短絡タブ(S1)と第2の給電タブ(F2)との間に配置されるチューニングスロット(T)とを備えるアンテナ。チューニングスロット(T)の誘導挙動を変えることができる複数のスイッチ(SW1、SW2、SW3)が設けられる。
Description
本発明は、携帯電話とも呼ばれる移動電話、および類似するワイヤレスデバイス用のアンテナに関する。このようなアンテナは小型でなければならず、複数の周波数帯をカバーしなければならない。ワイヤレス周波数帯は、たとえば、824MHzから960MHz、1710MHzから2170MHzおよび2300MHzから2700MHzである。
本発明の目的は、アンテナと、寸法が小さく、かつ、上記の周波数帯をカバーするアンテナを動作させるための方法とを提供することである。
発明は、第1のアンテナ素子と、第1のアンテナ素子に第1の周波数を給電するための第1の給電タブと、第1のアンテナ素子に第2の周波数を給電するための第2の給電タブと、第1のアンテナ素子を接地電位に短絡するために第1の給電タブと第2の給電タブとの間に配置される第1の短絡タブと、第1の短絡タブと第2の給電タブとの間に配置されるチューニングスロットとを備えるアンテナを提供する。チューニングスロットの誘導挙動を変えることのできる複数のスイッチが設けられる。チューニングスロットの誘導挙動に依存して、第1のアンテナ素子は第1の周波数または第2の周波数のいずれかで共振を有する。したがって、第1のアンテナ素子は、アンテナのサイズを大きくするであろう追加のアンテナを必要とすることなく、2つの周波数帯で動作させることができる。
一実施形態において、複数のスイッチは、第1の給電タブおよび第1の周波数源に結合される第1の接続点ならびに接地電位に結合される第2の接続点を有する第1のスイッチと、第2の周波数源に結合される第1の接続点ならびに第2の給電タブに結合される第2の接続点を有する第2のスイッチと、第2の周波数源に結合される第1の接続点ならびに接地電位に結合される第2の接続点を有する第3のスイッチとを備える。スイッチは、チューニングスロットの誘導挙動を変更するために、また、短絡および周波数源に接続するために用いられる。
一実施形態において、第2のスイッチは、整合キャパシタンスにより第2の給電タブに結合される。整合キャパシタンスは、第1のアンテナ素子の共振周波数を増大させるために用いられる。
一実施形態において、複数のスイッチのうち少なくとも第2のスイッチは、容量性無線周波数(RF)微小電気機械システム(MEMS)スイッチである。容量性RF MEMSスイッチは、ガルバニックRF MEMSスイッチよりも実施が容易である。
一実施形態においては、整合キャパシタンスは、第2のスイッチとして用いられる容量性無線周波数微小電気機械システムスイッチのキャパシタンスにより、少なくとも部分的に提供される。その後、MEMSスイッチのキャパシタンスを用いることによって、整合キャパシタンスのサイズを小さくすることができるか、または、離散的整合キャパシタンスを完全に取除くことができる。
一実施形態においては、アンテナはさらに、前述の第1のアンテナ素子に対応する第2のアンテナ素子を備え、第2のアンテナ素子は、第1のアンテナ素子が配置されるPCBの側とは反対のプリント回路基板の側に配置される。
第1および第2のアンテナ素子を反対側に配置することは、両方のアンテナを同時に動作させるときのアンテナ間の電磁干渉の低減につながる。さらに、アンテナを可能な限り遠くへ離間させると、アンテナへの信号経路のダイバーシティが増加される。
一実施形態において、アンテナはさらに、第3のアンテナ素子を備え、第3のアンテナ素子は、第3のアンテナ素子に第3の周波数を給電するための第3の給電タブと、第3のアンテナ素子を接地電位に短絡するための第3の短絡タブとを備える。第3のアンテナ素子は、第1のアンテナ素子が効果的に変換することのできない周波数において、電磁エネルギを受信および放射するために用いることができる。
一実施形態において、第1の周波数は1700MHzから2170MHzの間にあり、第2の周波数は2300MHzから2700MHzの間にあり、また、第3の周波数は824MHzから960MHzの間にある。これらの周波数は一般的に、GSM、CDMA、UMTS、WiMAXおよびWiFiシステムにおける動作用に用いられる。
発明はさらに、前述のアンテナを動作させるための方法であって、第1のアンテナ素子は、チューニングスロットの誘導挙動を変更することにより、第1の周波数または第2の周波数のいずれかで電磁エネルギを放射および受信するために選択される、方法を提供する。チューニングスロットの誘導挙動は、第1のアンテナ素子が第1の周波数で共振するか、または第2の周波数で共振するかを決定する。
一実施形態において、第1のアンテナ素子は、第1の周波数で動作させるときは、チューニングスロットが直列インダクタンスとして作用するように構成され、第1のアンテナ素子は、第2の周波数で動作させるときは、チューニングスロットが並列インダクタンスとして作用するように構成される。第1のアンテナ素子は複数のスイッチにより構成される。
一実施形態において、第1の周波数で動作させるときは、第1のスイッチおよび第2のスイッチは開かれ、かつ第3のスイッチは閉じられ、また、第2の周波数で動作させるときは、第1のスイッチおよび第2のスイッチは閉じられ、かつ第3のスイッチは開かれる。第1のスイッチおよび第3のスイッチは、第1の周波数源および第2の周波数源をそれぞれ短絡して、それぞれの周波数により第1のアンテナ素子を励起させないようにする。第2のスイッチは、第2の周波数源を切断するために用いられる。スイッチはまた、給電タブおよび短絡タブによるインピーダンス変換を変更する。
一実施形態において、第2のスイッチのキャパシタンスは、第1のアンテナ素子が第2の周波数において共振を有するように選択される。第2のスイッチのキャパシタンスは整合キャパシタンスとして用いられる。
一実施形態において、第1の周波数で動作させるときは、第1の給電タブにおけるインピーダンスは、第1の短絡タブの幅に対する第1の給電タブの相対的な幅を調整することによって、第1の周波数源のインピーダンスに整合され、また、第2の周波数で動作させるときは、第2の給電タブにおけるインピーダンスは、第1の短絡タブと第1の給電タブとを合わせた幅に対する第2の給電タブの相対的な幅を調整することによって、第2の周波数源のインピーダンスに整合される。これにより、第1の周波数および第2の周波数における給電タブおよび短絡タブによるインピーダンス変換を互いから独立させることができる。
一実施形態において、第1のアンテナ素子および第2のアンテナ素子は、複数入力/複数出力(MIMO)またはダイバーシティ方式で動作される。第1のアンテナ素子および第2のアンテナ素子の同時使用は、通信性能を改善させるために用いられる。
一実施形態において、第3の周波数で動作させるときは、第1のスイッチおよび第3のスイッチは閉じられ、かつ第2のスイッチは開かれる。スイッチのこれらの位置は、第1のアンテナ素子および第3のアンテナ素子のより良好な絶縁につながる。
本発明を以下に示す詳細な説明および添付の図面を用いて説明する。
図1は、移動電話またはその他のワイヤレスデバイスにおいて使用可能なアンテナAの一実施形態を示す。アンテナAは、その対向する主な側面に金属被膜を有するプリント回路基板PCBを備える。主な側面のうち一方は、接地電位GNDとして用いられ得る導電性接地平面により覆われている。他方の主な側面は、電磁エネルギを放射および受信するための第1のアンテナ素子A1および第3のアンテナ素子A3の一部を構成する金属被膜をその上に有する。第1のアンテナ素子A1は第1および第2の周波数で動作され、第3のアンテナ素子A3は第3の周波数で動作される。プリント回路基板PCBの両方の主な側面に対して垂直に、放射および受信部分を接続する給電タブF1、F2およびF3ならびに短絡タブS1およびS2がある。したがって、電話を保持している人が、給電タブF1、F2およびF3上、ならびに短絡タブS1およびS2上に手を置くことによって電気的特性を変化させてしまう可能性が低い。図1に示されるアンテナAは平面であり、プリント回路基板PCBの主な側面に対して平行および垂直な部分を有しているが、これは前提条件ではないことに留意すべきである。第1および第3のアンテナ素子A1およびA3は、単独で、異なる態様で、かつ、二次元のみに沿って配置することもできる。
第1のアンテナ素子A1は、第1の周波数を給電するための第1の給電タブF1と、第2の周波数を給電するための第2の給電タブF2と、第1のアンテナ素子A1を接地平面に短絡するための第1の短絡タブS1とを有する。第1の短絡タブS1は、第1の給電タブF1と第2の給電タブF2との間に配置される。さらに、第1のアンテナ素子A1は、第1の短絡タブS1と第2の給電タブF2との間に配置されるチューニングスロットTを有する。チューニングスロットTは、プリント回路基板PCBの主な側面に平行な金属被膜内まで続いている。この第1のアンテナ素子A1の放射および受信部分は、一方向に第2の周波数の約1/4波長の寸法を有する。
第1のアンテナ素子A1は、第1の周波数および第2の周波数で共振することができる。第1の周波数は、1710MHzから2170MHzの間にある一方、第2の周波数は2300MHzから2700MHzの間にある。第1または第2の周波数は、チューニングスロットTの誘導挙動を変更することによって選択される。チューニングスロットTの誘導挙動は、図2および図3に示される、複数のスイッチにより選択される。これらのスイッチはさらに、第1のアンテナ素子A1に第1の周波数および第2の周波数を供給するため、および、給電タブF1およびF2ならびに短絡タブS1によるインピーダンス変換を変更するために使用される。
図2は、第1の周波数で第1のアンテナ素子A1を動作させるためのスイッチSW1、SW2およびSW3の構成を示す。第1のスイッチSW1は、第1の周波数源U1が接地電位GNDに短絡されないように開いている。接地電位GNDはアンテナAの接地平面であり得る。第1の周波数源U1の信号は、第1のアンテナ素子A1の第1の給電タブF1および放射部分に伝達されて、そこで電磁エネルギに変換される。
第2のスイッチSW2は開いており、第2の給電タブF2から第2の周波数源U2が切断される。さらに、第3のスイッチSW3は、第2の周波数U2源が接地電位GNDに接続されるように閉じている。第2の給電タブF2を開路することによって、チューニングスロットTは、直列インダクタとして作用し、この場合、インダクタは、チューニングスロットTがない場合に第1のアンテナ素子A1が有するであろうインピーダンスに直列である。その結果、第1のアンテナ素子A1は、1710MHzから2170MHzの周波数範囲において共振を有する。
図3は、第2の周波数で第1のアンテナ素子A1を動作させるためのスイッチの構成を示す。第1のスイッチSW1は、第1の周波数源U1の信号が接地電位GNDに分路されるように閉じられる。第2のスイッチSW2は、第2の周波数源U2が第2の給電タブF2に結合されるように閉じられる。第3のスイッチSW3は、第2の周波数源U2が接地電位GNDに短絡されないように開かれる。
第1の給電タブF1が接地電位GNDに短絡されて、第2の給電タブF2が給電されている状態で、チューニングスロットTの直列インダクタンスが除去される。チューニングスロットTは並列インダクタンスとして作用し、この場合、インダクタは、チューニングスロットTがない場合に第1のアンテナ素子A1が有するであろうインピーダンスに並列である。チューニングスロットTの直列インダクタンスの除去によって、第1のアンテナ素子A1は、より高い周波数で共振することができる。さらに、第1の短絡タブS1および第1の給電タブF1の両方が、接地電位に対する並列分路として作用するため、アンテナのインダクタンスが低減される。直列整合キャパシタンスC1は、並列インダクタンスとして作用するチューニングスロットに接続されて、第1のアンテナ素子A1の共振周波数をさらに増大させる。要約すると、チューニングスロットTの誘導挙動は、第2の周波数で動作させるときには、第1の周波数で給電するための第1の給電タブF1を用い、かつ、短絡タブとして同じタブを用いることによって、変えられる。
第1、第2および第3のスイッチSW1、SW2、SW3は、任意の種類のスイッチであり得る。しかし、微小電気機械システム(MEMS)スイッチを使用することが有利である。なぜなら、これらのスイッチは、無線周波数での損失が低く、かつ、小さな設置面積しか必要としないからである。
MEMSスイッチは、ガルバニックまたは容量性であり得る。ガルバニックスイッチは金属間接触を利用し、閉じたときに広い帯域幅にわたる低損失につながる。しかしながら、ガルバニックMEMSスイッチは、より少ないスイッチング周期しか有さない。それと対照的に、容量性MEMSスイッチは、接点が擦り減らないという利点を有する。しかしながら、閉じたとき、これらのスイッチはかなりのキャパシタンスを有するため、典型的には、小さな直列インダクタンスにより共振して打消さなければならない。
上述のとおり、第1のアンテナ素子A1の共振周波数を増大させて、第2の周波数で動作させるためには、直列整合キャパシタンスC1が必要である。この整合キャパシタンスC1の値は、第2のスイッチSW2に用いられる容量性MEMSスイッチによってキャパシタンスが部分的に提供される場合、減少させることができる。整合キャパシタンスのすべてが容量性MEMSスイッチSW2によって提供され得る場合、離散的整合キャパシタンスはもはや必要ではない。この場合、RF MEMSスイッチのキャパシタンスを共振して打消すために用いられた小さな直列インダクタンスは、もはや必要ではない。アンテナ用の部品数の減少により、アンテナのサイズおよびコストが減少する。
図4は、第1のアンテナ素子A1の第1および第2の給電タブF1、F2ならびに短絡タブS1を示す図1の上面図のカット図である。第1の給電タブF1は幅W1を有し、第2の給電タブF2は幅W2を有し、また、短絡タブS1は幅WSを有する。図2に示されるなどのように、第1の周波数で動作させるとき、第1の給電タブF1および第1の短絡タブS1のインピーダンス変換は、WSに対するW1の相対的な幅によって決定される。図3に示されるなどのように、第2の周波数で動作させるとき、タブのインピーダンス変換は、第1の給電タブと第1の短絡タブとを合わせた幅であるW1+S1に対する第2の給電タブW2の相対的な幅によって決定される。第1の周波数および第2の周波数のインピーダンス変換は、したがって互いから独立しており、それにより両方の周波数で動作させるための第1のアンテナ素子A1の設計およびインピーダンス整合が単純化される。第1の給電タブF1と短絡タブS1との間の幅W1SおよびチューニングスロットTの幅WS2もまたインピーダンス変換に影響を及ぼすが、これらの効果を正確に定量化することは難しい。
図5は、複数入力/複数出力(MIMO)またはアンテナダイバーシティシステムにおいて使用可能なアンテナAの一実施形態を示す。MIMOシステムにおいては、送信機および受信機の両方の複数のアンテナを用いて、より高いスペクトル効率を用いることによりデータスループットを増加させる。アンテナダイバーシティシステムにおいては、複数のアンテナリンクにおいて独立フェージングを用いることにより、ワイヤレスリンクの信頼性が増す。図5においては、第1のアンテナ素子A1は、プリント回路基板PCB上の反対位置に設置された第2のアンテナ素子A2により増強される。第1および第2のアンテナ素子A1、A2は、1.7GHzを超えるセル方式MIMO、WiMAX MIMOまたはWiFi MIMO用に用いることができる。それらはまた、同時セル方式およびWiMAX、セル方式およびWiFi、またはWiMAXおよびWiFi用にMIMOなしで用いることもできる。ここで、セル方式は、GSM、CDMA、UTRA(UMTS、TD−SCDMA、など)またはその他の任意のセル方式もしくは移動システムを意味し得る。
図1および図5はさらに、第3の周波数で電磁エネルギを受信および放射するために用いられる第3のアンテナ素子A3を有する。第3のアンテナ素子A3は、第3の周波数を給電するための第3の給電タブF3と、第3のアンテナ素子A3を接地平面に短絡するための第3の短絡タブS3とを有する。第3のアンテナ素子A3は、第1および第2のアンテナ素子A1、A2よりも大きく、また、824MHzから960MHzの間の第3の周波数で共振するように設計されている。
図6は、第3の周波数でアンテナAを動作させるためのスイッチの構成を示す。第1のスイッチSW1および第3のスイッチSW3は、第1の周波数源U1および第2の周波数源U2が接地電位GNDに短絡されるように閉じられる。第2のスイッチSW2は開かれており、第1のアンテナ素子A1から第2の周波数源U2が切断される。第3のアンテナ素子A3は第3の周波数源U3に結合されて、第3の周波数で電磁エネルギを放射する。スイッチが図6に示すような位置にあるとき、スイッチSW1、SW2およびSW3の如何なる他の位置に比べても、第1のアンテナ素子A1および第3のアンテナ素子A3は最善の絶縁を示す。
図2、図3および図6は、アンテナAを駆動するための周波数源U1、U2およびU3を有するとして説明されるが、当業者は、アンテナAがまたその逆の様式、つまり電磁エネルギを電気信号に変換する様式でも動作可能なことを知っている。周波数源に加えて、対応する周波数でアンテナAで受信される信号を増幅するように設計される低雑音増幅器も存在するであろう。
上述の発明を用いることによって、824MHzから2700MHzの範囲内のワイヤレス周波数帯のすべてをアンテナのサイズを増加させることなしにカバーすることが可能となる。第1および第2のアンテナ素子A1およびA2の各々が1710MHzから2170MHzの周波数および2300MHzから2700MHzの周波数をカバーする一方で、第3のアンテナ素子A3が824MHzから960MHzの範囲にある周波数をカバーする。
参照符号
A アンテナ
A1 第1のアンテナ素子
A2 第2のアンテナ素子
A3 第3のアンテナ素子
C1 整合キャパシタ
F1 第1の給電タブ
F2 第2の給電タブ
F3 第3の給電タブ
GND 接地電位
PCB プリント回路基板
S1 第1の短絡タブ
S3 第3の短絡タブ
SW1 第1のスイッチ
SW2 第2のスイッチ
SW3 第3のスイッチ
T チューニングスロット
U1 第1の周波数源
U2 第2の周波数源
U3 第3の周波数源
W1 第1の給電タブの幅
W1S 第1の給電タブと第1の短絡タブとの間の幅
W2 第2の給電タブの幅
WS2 第2の給電タブと第1の短絡タブとの間の幅
WS 第1の短絡タブの幅
A アンテナ
A1 第1のアンテナ素子
A2 第2のアンテナ素子
A3 第3のアンテナ素子
C1 整合キャパシタ
F1 第1の給電タブ
F2 第2の給電タブ
F3 第3の給電タブ
GND 接地電位
PCB プリント回路基板
S1 第1の短絡タブ
S3 第3の短絡タブ
SW1 第1のスイッチ
SW2 第2のスイッチ
SW3 第3のスイッチ
T チューニングスロット
U1 第1の周波数源
U2 第2の周波数源
U3 第3の周波数源
W1 第1の給電タブの幅
W1S 第1の給電タブと第1の短絡タブとの間の幅
W2 第2の給電タブの幅
WS2 第2の給電タブと第1の短絡タブとの間の幅
WS 第1の短絡タブの幅
Claims (15)
- 第1のアンテナ素子(A1)と、
前記第1のアンテナ素子(A1)に第1の周波数を給電するための第1の給電タブ(F1)と、
前記第1のアンテナ素子(A1)に第2の周波数を給電するための第2の給電タブ(F2)と、
前記第1のアンテナ素子(A1)を接地電位(GND)に短絡するために前記第1の給電タブ(F1)と前記第2の給電タブ(F2)との間に配置される第1の短絡タブ(S1)と、
前記第1の短絡タブ(S1)と前記第2の給電タブ(F2)との間に配置されるチューニングスロット(T)とを備え、
前記チューニングスロット(T)の誘導挙動を変えることのできる複数のスイッチ(SW1、SW2、SW3)が設けられる、アンテナ。 - 前記複数のスイッチ(SW1、SW2、SW3)は、
前記第1の給電タブ(F1)および第1の周波数源(U1)に結合される第1の接続点ならびに前記接地電位(GND)に結合される第2の接続点を有する第1のスイッチ(SW1)と、
第2の周波数源(U2)に結合される第1の接続点ならびに前記第2の給電タブ(F2)に結合される第2の接続点を有する第2のスイッチ(SW2)と、
前記第2の周波数源(U2)に結合される第1の接続点ならびに前記接地電位(GND)に結合される第2の接続点を有する第3のスイッチ(SW3)を備える、請求項1に記載のアンテナ。 - 前記第2のスイッチ(SW2)は、整合キャパシタンス(C1)により前記第2の給電タブ(F2)に結合される、請求項2に記載のアンテナ。
- 前記複数のスイッチ(SW1、SW2、SW3)のうち少なくとも第2のスイッチ(SW2)は、容量性無線周波数微小電気機械システムスイッチである、先行する請求項の1つに記載のアンテナ。
- 前記整合キャパシタンス(C1)は、前記第2のスイッチ(SW2)として用いられる前記容量性無線周波数微小電気機械システムスイッチのキャパシタンスにより少なくとも部分的に提供される、請求項4に記載のアンテナ。
- 請求項1から5の1項に記載の前記第1のアンテナ素子(A1)に対応する第2のアンテナ素子(A2)をさらに備え、前記第2のアンテナ素子(A2)は、前記第1のアンテナ素子(A1)が配置されるプリント回路基板(PCB)の側とは反対のプリント回路基板(PCB)の側に配置される、請求項5に記載のアンテナ。
- 第3のアンテナ素子(A3)をさらに備え、前記第3のアンテナ素子は、
前記第3のアンテナ素子(A3)に第3の周波数を給電するための第3の給電タブ(F3)と、
前記第3のアンテナ素子(A3)を接地電位に短絡させるための第3の短絡タブ(S3)とを備える、先行する請求項の1つに記載のアンテナ。 - 前記第1の周波数は、1710MHzから2170MHzの間にあり、
前記第2の周波数は、2300MHzから2700MHzの間にあり、また、
前記第3の周波数は、824MHzから960MHzの間にある、請求項7に記載のアンテナ。 - 請求項1から8の1項に記載のアンテナ(A)を動作させるための方法であって、
前記第1のアンテナ素子(A1)は、前記チューニングスロット(T)の誘導挙動を変化させることにより、前記第1の周波数または前記第2の周波数のいずれかで電磁エネルギを放射および受信するために選択される、方法。 - 前記第1のアンテナ素子(A1)は、前記第1の周波数で動作させるときは、前記チューニングスロット(T)が直列インダクタンスとして作用するように構成され、
前記第1のアンテナ素子(A1)は、前記第2の周波数で動作させるときは、前記チューニングスロット(T)が並列インダクタンスとして作用するように構成される、請求項9に記載の方法。 - 前記第1の周波数で動作させるときは、前記第1のスイッチ(SW1)および前記第2のスイッチ(SW2)は開かれ、かつ前記第3のスイッチ(SW3)は閉じられ、また、
前記第2の周波数で動作させるときは、前記第1のスイッチ(SW1)および前記第2のスイッチ(SW2)は閉じられ、かつ前記第3のスイッチ(SW3)は開かれる、請求項9または10に記載の方法。 - 前記第2のスイッチ(SW2)の前記キャパシタンス(C1)は、前記第1のアンテナ素子(A1)が前記第2の周波数において共振を有するように選択される、請求項11に記載の方法。
- 前記第1の周波数で動作させるときは、前記第1の給電タブ(F1)におけるインピーダンスは、前記第1の短絡タブ(S1)の幅(WS)に対する前記第1の給電タブ(F1)の相対的な幅(W1)を調整することによって、前記第1の周波数源(U1)のインピーダンスに整合され、また、
前記第2の周波数で動作させるときは、前記第2の給電タブ(F2)におけるインピーダンスは、前記第1の短絡タブ(S1)と前記第1の給電タブ(F1)とを合わせた幅(WS、W1)に対する前記第2の給電タブ(F2)の相対的な幅(W2)を調整することによって、前記第2の周波数源(U2)のインピーダンスに整合される、請求項9から12の1項に記載の方法。 - 前記第1のアンテナ素子(A1)および前記第2のアンテナ素子(A2)は、複数入力/複数出力またはダイバーシティ方式で動作される、請求項9から13の1項に記載の方法。
- 前記第3の周波数で動作させるときは、前記第1のスイッチ(SW1)および前記第3のスイッチ(SW3)は閉じられ、かつ前記第2のスイッチ(SW2)は開かれる、請求項9から14の1項に記載の方法。
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