JP2016092633A - リフレクトアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制することで、開口能率を向上し、サイドローブを低減したリフレクトアレーアンテナを提供する。
【解決手段】リフレクトアレーアンテナ１００は、誘電体板２２の裏面に設けた金属板２１及び誘電体板２２の表面に配列された複数個の共振素子２３を有する平板状の反射板２と、共振素子２３に対向して配置され、反射板２に電磁波を放射する一次放射器１と、を具備している。電磁波の自由空間波長λと、電磁波の反射板２への入射角θと、誘電体板２２の比誘電率εｒとにより、共振素子２３の配置間隔ｄが以下の数式

を満たすように共振素子２３を配列している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホーンアンテナなどの一次放射器と平板状の反射板とを有するリフレクトアレーアンテナに関する。

従来、人工衛星に搭載するアンテナに、ホーンアンテナからなる一次放射器と放物曲面状の反射板とを対向させたパラボラアンテナが用いられている。パラボラアンテナは、一般に宇宙に打ち上げる際に反射板を折り畳み、打ち上げ後に反射板を展開して使用するため、反射板を展開する構造は複雑であり、動作時の信頼性が低い問題がある。

そこで、放物曲面状の反射板に代えて平板状の反射板を用いたリフレクトアレーアンテナが開発されている。このようなリフレクトアレーアンテナは、平板状の反射板を用いるため構造が簡単になり、コストの削減及び信頼性の向上を図ることができる。

リフレクトアレーアンテナの反射板は、誘電体板と、誘電体板の裏面に設けた金属板と、誘電体板の表面に配列された複数個の共振素子とで構成されている。一次放射器が放射した球面波面を有する電磁波は、反射板によって所定の方向に反射される。反射波には、共振素子によって反射された電磁波の成分（以下「反射成分」と記す）と、誘電体板の内部を透過して金属板によって反射された電磁波の成分（以下「透過成分」と記す）とが含まれている。

反射成分と透過成分とからなる反射波の位相（以下「反射位相」と記す）は、共振素子の形状及び大きさ、共振素子間の間隔、並びに誘電体板の比誘電率及び肉厚により決定される。リフレクトアレーアンテナの反射板は、誘電体基板上の位置に応じて異なる形状及び大きさの共振素子を配置することで、各位置における反射位相が所望の値となるように制御し、入射した球面波を平面波に変換して反射するものである。

ここで、従来のリフレクトアレーアンテナは、互いに隣接する共振素子の中心部間の間隔（以下「配置間隔」と記す）ｄが以下の式（１）を満たすように共振素子を配列している（例えば、非特許文献１参照）。

式（１）において、λは使用する電磁波の周波数帯域内で最も高い周波数における自由空間波長を表し、θは一次放射器から放射されて反射板に入射する電磁波の入射角の最大値を表している。従来のリフレクトアレーアンテナは、配置間隔ｄが式（１）を満たすように共振素子を配列することで、反射成分の電磁波によって、所定の方向と異なる方向に反射する不要放射波（いわゆる「グレーティングローブ」）が発生するのを防いでいる。

John Huang，Jose A．Encinar，"Reflectarray Antennas"，Wiley-interscience，pp.83-84，2008.

図１３及び図１４に、従来のリフレクトアレーアンテナの一例を示す。誘電体板２２ｃの裏面に金属板２１ｃが設けられており、誘電体板２２ｃの表面に複数個の共振素子２３ｃが配列されている。金属板２１ｃ、誘電体板２２ｃ及び共振素子２３ｃにより、反射板２ｃが構成されている。共振素子２３ｃと対向して、反射板２ｃに電磁波を放射する一次放射器１ｃが配置されている。一次放射器１ｃ及び反射板２ｃにより、リフレクトアレーアンテナ１０３が構成されている。

リフレクトアレーアンテナ１０３は、１２ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯で用いられる開口径が４５センチメートル（ｃｍ）のアンテナである。個々の共振素子２３ｃはリング形状であり、誘電体板２２ｃ上の配置位置に応じて異なる直径を有し、所望の反射位相となるようにしている。通常、電磁波の波長λは２５ミリメートル（ｍｍ）であり、一次放射器１ｃから放射されて反射板２ｃに入射する電磁波の入射角θの最大値が６０°であることから、共振素子２３ｃの配置間隔ｄは式（１）を満たすように１３ｍｍとしている。

従来のリフレクトアレーアンテナ１０３と、同等の開口径を有するパラボラアンテナとの性能を比較したところ、パラボラアンテナの開口能率は７５％程度であるのに対し、従来のリフレクトアレーアンテナ１０３の開口能率は３０％程度であった。

従来のリフレクトアレーアンテナ１０３の開口能率が低下している原因は、以下のように説明することができる。すなわち、従来のリフレクトアレーアンテナ１０３は、配置間隔ｄが式（１）を満たすように共振素子２３ｃを配列することで、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を防いでいる。しかしながら、配置間隔ｄが式（１）を満たしていても、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生は防ぐことができない場合がある。この場合、アンテナの開口能率が低下し、サイドローブレベルが高くなる課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制することで、開口能率を向上し、かつサイドローブを低減したリフレクトアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明のリフレクトアレーアンテナは、誘電体板の裏面に設けた金属板及び誘電体板の表面に配列された複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、共振素子に対向して配置され、反射板に電磁波を放射する一次放射器と、を具備し、電磁波の自由空間波長λと、電磁波の反射板への入射角θと、誘電体板の比誘電率εｒとにより、共振素子の配置間隔ｄが以下の数式

を満たすように共振素子を配列したものである。

本発明のリフレクトアレーアンテナは、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制することで、開口能率を向上し、かつサイドローブを低減することができる。

本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナの要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナの要部を示す側面図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナの動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナの動作を示す説明図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによる１２ＧＨｚ帯用の開口径４５ｃｍのアンテナの要部の一例を示す正面図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによる１２ＧＨｚ帯用の開口径４５ｃｍのアンテナの要部の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナと、従来のリフレクトアレーアンテナと、パラボラアンテナとの方位角に対する振幅の関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナと、従来のリフレクトアレーアンテナと、パラボラアンテナとの周波数に対する開口能率の関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態２のリフレクトアレーアンテナの要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態２のリフレクトアレーアンテナの要部を示す側面図である。 本発明の実施の形態３のリフレクトアレーアンテナの要部を示す正面図である。 本発明の実施の形態３のリフレクトアレーアンテナの要部を示す側面図である。 従来のリフレクトアレーアンテナによる１２ＧＨｚ帯用の開口径４５ｃｍのアンテナの要部の一例を示す正面図である。 従来のリフレクトアレーアンテナによる１２ＧＨｚ帯用の開口径４５ｃｍのアンテナの要部の一例を示す側面図である。

実施の形態１．
図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態１のリフレクトアレーアンテナについて説明する。
図中、２２は誘電体板である。誘電体板２２は、比誘電率の値が１よりも大きい円盤状の誘電体により構成されている。誘電体板２２の裏面の略全面に亘って、金属板２１が設けられている。誘電体板２２の表面には、複数個のリング形状の共振素子２３が設けられている。

共振素子２３は、誘電体板２２上の第１方向（図中Ｘ方向）に沿って等間隔に配列されており、かつ第１方向と直交する第２方向（図中Ｙ方向）に沿って等間隔に配列されている。第１方向及び第２方向に沿って互いに隣接する共振素子２３の中心部間の間隔（配置間隔）ｄが以下の式（２）を満たすように、共振素子２３が配列されている。

式（２）において、λは使用する電磁波の周波数帯域内で最も高い周波数における自由空間波長を表し、εｒは誘電体板２２を構成する誘電体の比誘電率を表し、θは一次放射器１から放射されて反射板２に入射する電磁波の入射角の最大値を表している。

なお、配置間隔ｄは、第１方向及び第２方向に沿う互いに隣接する共振素子２３の各々の半径の和よりも大きい値に設定されており、複数の共振素子２３が重ならないようになっている。

共振素子２３の大きさは、誘電体板２２上の配置位置に応じて異なっている。このような金属板２１、誘電体板２２及び共振素子２３により、平板状の反射板２が構成されている。

共振素子２３に対向して、一次放射器１が配置されている。一次放射器１は、例えばホーンアンテナで構成されており、反射板２に電磁波を放射するものである。一次放射器１及び反射板２により、リフレクトアレーアンテナ１００が構成されている。

次に、図３及び図４を参照して、リフレクトアレーアンテナ１００の動作について、送信アンテナの動作を中心に説明する。
図３及び図４においては、動作原理をわかりやすく説明するために、面積が無限に大きい反射板２を用いて、形状及び大きさが同一の共振素子２３が配置間隔ｄで無限に配列されているものとする。また、一次放射器１から反射板２に、無限に大きい一様振幅分布の平面波が入射するものとする。

まず、一次放射器１が放射した入射波Ａが、反射板２に入射角θで入射する。これにより、共振素子２３に電流が誘起され、入射波Ａのうち一部の成分（反射成分）Ｂの電磁波が共振素子２３により反射角θで反射され、反射波Ｄの一部となる。一方、残余の成分（透過成分）Ｃ１の電磁波は透過角θｔで誘電体板２２の内部を透過して、裏面側の金属板２１にて反射される。反射された透過成分Ｃ１の電磁波は、誘電体板２２の内部を透過して再び共振素子２３に入射する。透過成分Ｃ１の電磁波により共振素子２３に電流が誘起され、透過成分Ｃ１の一部の成分Ｃ３の電磁波が再び金属板２１に向けて反射され、残余の成分Ｃ２の電磁波は反射波Ｄの一部となる。以下、同様の動作を繰り返すことで、入射波Ａに含まれていた略全ての電磁波の成分が反射波Ｄとなる。

反射波Ｄの反射位相は、共振素子２３の大きさ及び形状、配置間隔ｄ、並びに誘電体板２２の比誘電率εｒ及び肉厚に応じて決定される。実際のリフレクトアレーアンテナ１００では、誘電体板２２上の位置に応じて形状及び大きさが異なる共振素子２３を配置することで、各位置における反射位相が所望の値となるように制御し、入射した球面波を平面波に変換して反射するようになっている。

このとき、透過成分の電磁波によって、グレーティングローブが発生する場合がある。すなわち、図４に示す如く、入射波Ａのうち一部の透過成分Ｅ１の電磁波が透過角θｔと異なる透過角で誘電体板２２の内部を透過して、金属板２１にて反射される。反射された透過成分Ｅ１の電磁波は、誘電体板２２の内部を透過して再び共振素子２３に入射する。透過成分Ｅ１の電磁波により共振素子２３に電流が誘起され、透過成分Ｅ１の一部の成分Ｅ３の電磁波が再び金属板２１に向けて反射され、残余の成分Ｅ２の電磁波は散乱波Ｆの一部となる。以下、同様の動作を繰り返すことで、透過成分Ｅ１に含まれていた略全ての電磁波の成分が散乱波Ｆとなる。散乱波Ｆは反射波Ｄと異なる方向に反射する不要放射波であり、グレーティングローブを形成する。

しかしながら、このリフレクトアレーアンテナ１００の共振素子２３は、上記式（２）の条件を満たす配置間隔ｄで配置されている。この式（２）は、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を防ぐ配置間隔ｄの条件を示す以下の式（３）に、いわゆる「スネルの法則」による入射波Ａの入射角θと透過成分Ｃ１の透過角θｔとの関係を示す以下の式（４）を代入して得られたものである。

この結果、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００の配置間隔ｄの式（２）は式（３）を内在しているので、かかる共振素子２３の配置によれば、図４に示す散乱波Ｆの発生を防ぐことができる。すなわち、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制して、開口能率を向上し、サイドローブを低減することができる。

また、誘電体板２２は、比誘電率εｒの値が１よりも大きい誘電体により構成されているので、上記式（２）を満たす配置間隔ｄは、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を防ぐ条件を示す以下の式（５）を同時に満たしていることになる。

したがって、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生と透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生との両方を抑制して、開口能率をさらに向上し、サイドローブをさらに低減することができる。

なお、リフレクトアレーアンテナ１００は、いわゆる「可逆定理」により受信アンテナと送信アンテナとで同等の電磁気的特性を有している。このため、受信アンテナの動作については図示及び説明を省略する。

次に、リフレクトアレーアンテナ１００の効果について説明する。
図５及び図６に、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００により構成した、１２ＧＨｚ帯で用いられる開口径が４５ｃｍのアンテナの一例を示す。電磁波の波長λが２５ｍｍであり、一次放射器１から放射されて反射板２に入射する電磁波の入射角θの最大値が６０°であり、誘電体板２２を構成する誘電体の比誘電率εｒが２．６５であるため、配置間隔ｄは式（２）を満たすように９．５ｍｍに設定している。

図７は、アンテナの方位角（Ａｚｉｍｕｔｈ）に対する電磁波の振幅（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を示す特性図である。特性線Ｉは、図５及び図６に示す実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００の特性を示している。特性線ＩＩは、比較対象として、リフレクトアレーアンテナ１００と同等の開口径を有するパラボラアンテナの特性を示している。

図７に示す如く、方位角が約−５°〜＋５°の範囲内では、特性線Ｉと特性線ＩＩの振幅は同等の値であり、メインローブが形成されている。方位角が−６０°〜−５°の範囲、及び＋５°〜＋６０°の範囲内では、特性線Ｉの振幅は特性線ＩＩと同様に概ね−３０デシベル（ｄＢ）以下になっている。特に、方位角が−２０°〜−５°の範囲、及び＋５°〜＋２０°の範囲内では、特性線Ｉの振幅が特性線ＩＩよりも小さくなっており、サイドローブが低減されている。

図８は、電磁波の周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に対するアンテナの開口能率（Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す特性図である。四角形のプロットＩは、図５及び図６に示す実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００の開口能率を示している。三角形のプロットＩＩは、比較対象として、図１３及び図１４に示す従来のリフレクトアレーアンテナ１０３の開口能率を示している。菱形のプロットＩＩＩは、比較対象として、リフレクトアレーアンテナ１００と同等の開口径を有するパラボラアンテナの開口能率を示している。

図８に示す如く、パラボラアンテナの開口能率は、１１．７ＧＨｚ〜１２．４ＧＨｚの周波数範囲に亘って７５％〜８０％程度である。一方、従来のリフレクトアレーアンテナ１０３の開口能率は、１１．７ＧＨｚ〜１２．４ＧＨｚの周波数範囲に亘って２５％〜３０％程度である。これに対し、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００の開口能率は、１１．８ＧＨｚ〜１２．４ＧＨｚの広い周波数範囲に亘って６０％を超えており、従来のリフレクトアレーアンテナ１０３よりも開口能率が３０％以上上昇している。

すなわち、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００は、平板状の反射板２を用いることでコストの削減及び信頼性の向上を図ることができるというパラボラアンテナに対する優位性を保ちつつ、従来のリフレクトアレーアンテナ１０３よりも開口能率を上昇させてパラボラアンテナに近い開口能率を実現できている。

なお、配置間隔ｄを９．５ｍｍとしたリフレクトアレーアンテナ１００は、電磁波の周波数が１２．７ＧＨｚの場合、入射角θが５９．１°以上のときには透過成分によるグレーティングローブが発生する。しかしながら、入射角θが５９．１°以上となるのは、反射板２の端部の極めて狭い部分のみであるため、開口能率への影響が小さかったものと考えられる。

以上のように、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００は、配置間隔ｄが式（２）を満たすように共振素子２３を配列している。これにより、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制して、開口能率を向上し、サイドローブを低減することができる。

また、誘電体板２２は、比誘電率εｒの値が１よりも大きい誘電体により構成されている。これにより、配置間隔ｄが式（２）を満たすことで同時に式（５）を満たしているので、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生と透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生との両方を抑制して、開口能率をさらに向上し、サイドローブをさらに低減することができる。

また、式（２）の自由空間波長λは、使用する電磁波の周波数帯域内で最も高い周波数における自由空間波長に設定されている。式（２）の入射角θは、一次放射器１から反射板２に入射する電磁波の入射角の最大値に設定されている。このため、使用する電磁波の周波数帯域の略全域に亘って、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制することができる。また、一次放射器１から反射板２に入射する電磁波の略全体に亘って、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制することができる。

なお、一次放射器１に用いるアンテナは、ホーンアンテナに限定されるものではない。送信アンテナとして動作する場合には反射板２へ電磁波を放射し、また受信アンテナとして動作する場合には反射板２で反射された電磁波を受波するものであれば、如何なるアンテナであっても良い。

また、個々の共振素子２３の形状は、リング状に限定されるものはない。所望の反射位相などに応じて、円形状、四角形状、三角形状、プラス記号状又は矩形枠状の形状であっても良い。

また、反射板２の形状は平板状であれば良く、円盤状に限定されるものではない。衛星への搭載条件及び一次放射器１に用いるアンテナの開口形状などに応じて、矩形板状又は多角形板状の反射板２を用いたものとしても良い。

実施の形態２．
図９及び図１０を参照して、共振素子の配置が実施の形態１と異なるリフレクトアレーアンテナについて説明する。なお、図１及び図２に示す実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

誘電体板２２の表面に、複数個のリング形状の共振素子２３ａが配列されている。共振素子２３ａは、誘電体板２２上の第１方向（図中Ｘ方向）に沿って等間隔に配列されており、かつ第１方向と直交する第２方向（図中Ｙ方向）に沿って等間隔に配列されている。

ここで、共振素子２３ａの第１方向に沿う配置間隔ｄｘと、第２方向に沿う配置間隔ｄｙとが、互いに異なる間隔になっている。２つの配置間隔ｄｘ，ｄｙのうち、より大きい方の配置間隔ｄｘが実施の形態１と同様の式（２）を満たすように、共振素子２３ａが配列されている。このようにして、リフレクトアレーアンテナ１０１が構成されている。

配置間隔ｄｘ，ｄｙのうちより大きい方の配置間隔ｄｘが式（２）を満たす場合、小さい方の配置間隔ｄｙも同時に式（２）を満たしている。したがって、実施の形態２のリフレクトアレーアンテナ１０１は、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００と同様に、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生を抑制して、開口能率を向上し、サイドローブを低減することができる。

また、誘電体板２２は、比誘電率εｒの値が１よりも大きい誘電体により構成されている。これにより、配置間隔ｄｘ，ｄｙの両方が式（２）を満たすのと同時に式（５）を満たしている。したがって、実施の形態１と同様に、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生と透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生との両方を抑制して、開口能率をさらに向上し、サイドローブをさらに低減することができる。

実施の形態３．
図１１及び図１２を参照して、共振素子の配置が実施の形態１及び実施の形態２と異なるリフレクトアレーアンテナについて説明する。なお、図１及び図２に示す実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

誘電体板２２の表面に、複数個のリング形状の共振素子２３ｂが配列されている。複数個の共振素子２３ｂは、互いに隣接する３つの共振素子２３ｂが正三角形の頂点にそれぞれ位置づけられるように配置されている。

共振素子２３ｂの配置間隔ｄは、この正三角形の１辺の長さに対応している。共振素子２３ｂは、配置間隔ｄが実施の形態１と同様の式（２）を満たすように配置されている。このようにして、リフレクトアレーアンテナ１０２が構成されている。

実施の形態３のリフレクトアレーアンテナ１０２は、共振素子２３ｂの配置間隔ｄが式（２）を満たしている。したがって、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナ１００と同様に、透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生をを抑制して、開口能率を向上し、サイドローブを低減することができる。

また、誘電体板２２は、比誘電率εｒの値が１よりも大きい誘電体により構成されているので、配置間隔ｄが式（２）を満たすのと同時に式（５）を満たしている。したがって、実施の形態１と同様に、反射成分の電磁波によるグレーティングローブの発生と透過成分の電磁波によるグレーティングローブの発生との両方を抑制して、開口能率をさらに向上し、サイドローブをさらに低減することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１ｃ 一次放射器、２，２ｃ 反射板、２１，２１ｃ 金属板、２２，２２ｃ 誘電体板、２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ 共振素子、１００，１０１，１０２，１０３ リフレクトアレーアンテナ。

Claims (6)

1. 誘電体板の裏面に設けた金属板及び該誘電体板の表面に配列された複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、
   前記共振素子に対向して配置され、前記反射板に電磁波を放射する一次放射器と、を具備し、
   前記電磁波の自由空間波長λと、前記電磁波の前記反射板への入射角θと、前記誘電体板の比誘電率εｒとにより、前記共振素子の配置間隔ｄが以下の数式
   

   

   を満たすように前記共振素子を配列した
   ことを特徴とするリフレクトアレーアンテナ。
2. 前記誘電体板は、前記比誘電率εｒの値が１よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のリフレクトアレーアンテナ。
3. 前記数式を満たす前記自由空間波長λは、前記電磁波の周波数帯域内で最も高い周波数における前記自由空間波長であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のリフレクトアレーアンテナ。
4. 前記数式を満たす前記入射角θは、前記電磁波の前記反射板への前記入射角の最大値であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のリフレクトアレーアンテナ。
5. 複数個の前記共振素子は、第１方向及び該第１方向と直交する第２方向に沿って等間隔に配列され、
   前記数式を満たす前記配置間隔ｄは、前記共振素子の前記第１方向に沿う前記配置間隔と前記第２方向に沿う前記配置間隔とのうちのより大きい方の前記配置間隔である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のリフレクトアレーアンテナ。
6. 複数個の前記共振素子は、互いに隣接する３個の前記共振素子が正三角形の頂点にそれぞれ配置され、
   前記数式を満たす前記配置間隔ｄは、前記正三角形の１辺の長さに設定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のリフレクトアレーアンテナ。

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