JP3677124B2 - 偏波共用アレ−アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、形状が平面的であること、すなわち、姿勢が低いことが要求されるとともに、偏波ダイバ−シティ方式のブランチ構成が可能であることが要求される移動通信用基地局アンテナ、または通信衛星（ＣＳ）からの直交直線二偏波を受信する衛星通信用地球局アンテナ等に好適な偏波共用アレ−アンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、衛星通信受信用アンテナまたは移動通信用基地局アンテナ等に従来用いられているアンテナの一種、すなわち、マイクロストリップ素子を用いた直交直線二偏波送受信用アンテナの一例を示す図で、１１₁ ないし１１₄ はそれぞれ放射素子で、輪郭形状が円形または正方形等の導体板または導体薄層より成り、図には示していないが、放射素子１１₁ ないし１１₄ の各背面には、放射素子の各面積に較べて十分に大なる面積を有する接地導体を、放射波長に較べて十分に小なる間隔を隔てて各放射素子と平行に設けてマイクロストリップアンテナを形成してある。
１２₁₁、１２₁₂、１２₂₁、１２₂₂、１２₃₁、１２₃₂および１２₄₁、１２₄₂は給電点で、給電点１２₁₁と１２₁₂とは、放射素子１１₁ の円周方向に９０°の角度差を隔てて、それぞれ放射素子１１₁ の周辺に設けてある。
他の放射素子における給電点も、同様の条件で設けてある。
１３_H は水平偏波の給電線、１３_V は垂直偏波の給電線で、それぞれ、例えば、マイクロストリップ線路より成る。１４₁ および１４₂ は位相反転回路、１５_H は水平偏波の入出力端子、１５_V は垂直偏波の入出力端子である。
【０００３】
入出力端子１５_H および１５_V に、それぞれ高周波電力を加えると、入出力端子１５_H に加えられた電力は、給電線１３_H を介して放射素子１１₁ ないし１１₄ の各給電点１２₁₁、１２₂₁、１２₃₁および１２₄₁に互いに等振幅、同位相で加えられ、入出力端子１５_V に加えられた電力は、給電線１３_V を介して放射素子１１₁ および１１₃ の各給電点１２₁₂および１２₃₂に同位相で加えられるとともに、位相反転回路１４₁ および１４₂ を介して放射素子１１₂ および１１₄ の各給電点１２₂₂および１２₄₂に同位相で加えられる。
放射素子１１₁ および１１₃ の各給電点１２₁₂および１２₃₂は、放射素子１１₁ および１１₃ の各下縁に設けてあるが、放射素子１１₂ および１１₄ の各給電点１２₂₂および１２₄₂は、放射素子１１₂ および１１₄ の各上縁に設けてあるため、給電点１２₁₂、１２₂₂、１２₃₂および１２₄₂に加えられる電力の位相が互いに同じである場合には、放射素子１１₁ ないし１１₄ に加えられる垂直偏波の電力位相は、放射素子１１₁ と１１₂ において互いに逆相となり、放射素子１１₃ と１１₄ においても互いに逆相となるが、放射素子１１₂ および１１₄ の各給電点１２₂₂および１２₄₂に加えられる電力は、位相反転回路１４₁ および１４₂ において位相が反転されるため、放射素子１１₁ ないし１１₄ に加えられる垂直偏波の電力位相はすべて同相となる。
放射素子１１₁ ないし１１₄ に加えられる水平偏波の電力位相はすべて同相で、また、放射素子１１₁ ないし１１₄ に加えられる垂直偏波の電力位相もまたすべて同相であるから、直交する二つの直線偏波が最大利得となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示した従来のアンテナは、放射素子１１₁ ないし１１₄ に比較的低損失で電力を加えるための伝送線路部、すなわち、給電線１３_H および１３_V 、位相反転回路１４₁ および１４₂ を、放射素子１１₁ ないし１１₄ と別個に形成し、放射素子１１₁ ないし１１₄ と組み合わせてアンテナを構成しているので、全体の構成が複雑となるのを避けることができない。
また、複数個の放射素子への給電損失を一様に小にするためには、水平偏波の共通の入出力端子と各放射素子の水平偏波の給電点とを結ぶ各給電線の長さを一様な長さに保ち、かつ、各給電線の長さを出来るだけ短く形成するとともに、垂直偏波の共通の入出力端子と各放射素子の垂直偏波の給電点とを結ぶ各給電線の長さもまた一様な長さに保ち、かつ、各給電線の長さを出来るだけ短く形成する必要があるが、このためには、各放射素子が含まれる平面と水平偏波の共通の入出力端子および垂直偏波の共通の入出力端子の含まれる平面とを適宜間隔を隔てた異なる平面で形成し、両平面の間の間隙に給電線を放射状に設ける必要があり、その結果、放射素子、給電線および入出力端子が立体的に配設されることとなり、アンテナ全体の姿勢が高くなるのを免れることができない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状またはシ−ト状の誘電体の表面に、
第１ないし第４のアンテナ素子を、各長手方向を同一方向に一致させて平行に設け、
第１および第２のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の¹/₂ の直線部分と、
折れ線より成るＳ字形状を有し、５本の折れ線の各長さが放射波長の¹/₁₀より成る屈曲部分とを、
交互に配設接続して成るフランクリンアンテナ素子で形成し、
第１および第２のフランクリンアンテナ素子を、その平行間隔の中心線に対してほぼ対称に設け、
第１および第２のフランクリンアンテナ素子の各長手方向の中心部における、放射波長の¹/₂ の長さを有する直線部分と、折れ線より成るＳ字形の屈曲部分との接続点を給電点とし、
第３および第４のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の¹/₄ で、第３および第４のアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分と、
長さが放射波長の¹/₄ で、第３および第４のアンテナ素子の長手方向に直角な直線部分とを、
交互に配設接続して成るブル−スアンテナ素子で形成し、
第３および第４のブル−スアンテナ素子の各長手方向の中心部における、第３および第４のブル−スアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分の中心点を給電点とするとともに、
板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に接地導体を設けて成る偏波共用アレ−アンテナを実現することによって、従来の欠点を除こうとするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の一実施例の要部を示す斜視図で、１は板状またはシ−ト状の誘電体で、表面に、第１ないし第４のアンテナ素子２_F1、２_F2、２_B1および２_B2を設けるが、各アンテナ素子の長手方向がＸ軸方向に一致し、Ｙ軸方向に適宜間隔を隔てて交互に、例えば、２_F1、２_B1、２_F2および２_B2の順序で平行に配設し、裏面に接地導体３を設けてある。
図１（ｂ）は、アンテナ素子２_F1（または２_F2）の詳細構成を示すための一部拡大図で、直線状導体を折り曲げて、長さがλ／２（λは放射波長）の直線部分と、λ／１０の長さ毎に折り曲げて折れ線より成るＳ字形状に形成した屈曲部分とをＸ軸方向に交互に配設接続してフランクリンアンテナ素子を形成し、長さがλ／２の直線部分を奇数個設け、中央における長さがλ／２の直線部分の中心から＋Ｘ軸方向（または−Ｘ軸方向）にλ／４離れた点、すなわち、λ／２の直線部分とＳ字形状に形成した屈曲部分の接続点を給電点２_FF1 （２_FF2 ）とし、例えば、同軸線を介して高周波電力を加えると、長さがλ／２の直線部分からの放射波が、同相で合成される。
なお、特性改善のために、折れ線より成るＳ字形状の屈曲部分における各折れ線部分の長さを補正するようにしてもよく、補正係数は、例えば、１．１１である。
図１（ｃ）は、アンテナ素子２_B1（または２_B2）の詳細構成を示すための一部拡大図で、直線状導体を折り曲げて、長さがλ／４でＸ軸に平行な直線部分と、長さがλ／４でＹ軸に平行な直線部分とをＸ軸方向に交互に配設接続してブル−スアンテナ素子を形成し、Ｙ軸に平行な直線部分を偶数個設け、Ｘ軸方向の中央におけるＸ軸に平行な直線部分の中心点を給電点２_BF1 （２_BF2 ）とし、例えば、同軸線を介して高周波電力を加えると、Ｙ軸に平行な直線部分からの放射波が、同相で合成される。
Ｙ軸に平行な直線部分を偶数個設ける代わりに奇数個設け、ブル−スアンテナ素子のＸ軸方向の中心部から＋Ｘ軸方向（または−Ｘ軸方向）に適宜ずらせた位置に、給電点２_BF1 （２_BF2 ）を設けるように形成しても本発明を実施することができる。
なお、特性改善のために、Ｘ軸方向に平行な直線部分の長さを補正するようにしてもよく、補正係数は、例えば、１．１７である。
【０００７】
本発明アンテナを製作するに当たっては、例えば、プリント配線板の表面に、エッチング手法または導電体印刷手法等を用いてアンテナ素子２_F1、２_B1、２_F2および２_B2を形成し、同様の手法によってプリント配線板の裏面に接地導体３を設けるか、金属薄板を金型を用いプレス加工によってアンテナ素子を形成し、これを板状またはシ−ト状の誘電体の表面に貼付するとともに、板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に金属薄板を貼付して接地導体を形成してもよい。
なお、接地導体は金属のみならず、反射係数の大なる材質、例えば、炭素繊維で形成してもよく、また、接地導体の反射面は、一様に平坦な面のみならず格子状のように、面の一部に間隙を有する、いわゆるパンチングメタルで形成してもよい。
【０００８】
図２（ａ）は、図３に示すように、板状またはシ−ト状誘電体１の表面に、フランクリンアンテナ素子２_F1（または２_F2）を一列のみ設け、このアンテナ素子２_F1（または２_F2）を含む面と板状またはシ−ト状誘電体１の裏面に設けた接地導体との間隔を、ほぼλ／１６に選んで、アンテナ素子２_F1（または２_F2）を含む面と接地導体面とが平行となるように形成したアンテナにおけるＸ−Ｚ平面の指向性の観測結果を示し、図２（ｂ）は、Ｙ−Ｚ平面の指向性の観測結果を示すもので、図２（ａ）における横軸はＸ−Ｚ平面におけるＺ軸からの角度θ（°）、縦軸は相対電界強度（ｄＢ）、図２（ｂ）における横軸はＹ−Ｚ平面におけるＺ軸からの角度θ（°）、縦軸は相対電界強度（ｄＢ）、図２（ａ）および図２（ｂ）において、実線は角θ方向に平行な電界成分の指向性を示し、破線は図１に示した角φ（°）に平行な電界成分の指向性を示すもので、交差偏波成分の大きさを調べるために観測したものである。
なお、図３において、紙面に直角な方向がＺ軸方向で、２_FF1 （または２_FF2 ）は給電点である。
図４（ａ）は、図５に示すように、板状またはシ−ト状誘電体１の表面に、ブル−スアンテナ素子２_B1（または２_B2）を一列のみ設け、このアンテナ素子２_B1（または２_B2）を含む面と板状またはシ−ト状誘電体１の裏面に設けた接地導体との間隔を、ほぼλ／１６に選ぶとともに、両面が平行となるように形成したアンテナにおけるＸ−Ｚ平面の指向性の観測結果を示し、図４（ｂ）は、Ｙ−Ｚ平面の指向性の観測結果を示すもので、図４（ａ）および図４（ｂ）における横軸、縦軸、実線および破線は、それぞれ図２（ａ）および図２（ｂ）と同様であり、また、図５において、紙面に直角な方向がＺ軸方向で、２_BF1 （または２_BF2 ）は給電点である。
図２（ａ）および図４（ａ）から明らかなように、角θの大なる領域における交差偏波成分を除くと、図３に示したフランクリンアンテナ素子２_F1（または２_F2）の指向性と、図５に示したブル−スアンテナ素子２_B1（または２_B2）の指向性はほぼ一致している。
【０００９】
図６は、図３に示したアンテナの角θの大なる領域における交差偏波成分を低減させるために、板状またはシ−ト状の誘電体１の表面に、二列のフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2を、それぞれの長手方向の中心線と中心線との間隔を０．６λに選ぶとともに、この間隔０．６λの中心線（図６におけるＸ軸）に対してフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の形状がほぼ対称となるように設け、他の構成条件は、図３に示したアンテナと同様の条件で形成したアンテナを示すもので、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の各給電点２_FF1 および２_FF2 に互いに等しい振幅と同じ位相を有する電力を加えた場合におけるＸ−Ｚ平面の指向性を図７（ａ）に示し、Ｙ−Ｚ平面の指向性を図７（ｂ）に示してある。
図６におけるＸ、ＹおよびＺ軸方向は、図３と同様で、図７（ａ）および図７（ｂ）における横軸、縦軸、実線および破線は、図２（ａ）および図２（ｂ）と同様であるが、図７（ａ）から明らかなように、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2からの角θの大なる領域における放射成分が互いに打ち消し合う結果、角θの大なる領域における交差偏波成分が低減されている。
また、図７（ｂ）に示したＹ−Ｚ平面における指向性は、図４（ｂ）に示したＹ−Ｚ平面における指向性に較べて鋭い指向性となっているが、これは指向性積の原理に基づくもので、アンテナ素子の数およびアンテナ素子の平行間隔に応じて調整可能である。
【００１０】
図８（ａ）は、図６に示したアンテナにおいて、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2を、等振幅、同位相の電力で励振するとともに、アンテナ素子２_F1および２_F2の平行間隔、すなわち、アンテナ素子２_F1および２_F2の各長手方向の中心線相互の間隔と最大放射方向における利得との関係（破線）を示す図で、横軸は放射波長で正規化したアンテナ素子間隔（ｄ／λ）、縦軸は利得（ｄＢ）である。
なお、図８（ａ）において、実線は、図１（ａ）に示すように、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2とブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2を交互に配設し、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2には直接給電することなく、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2にのみ等振幅、同位相の電力を給電した場合における利得の変化を観測したものである。
図８（ｂ）は、図１（ａ）に示したアンテナにおいてフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2を除き、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2のみを配設して形成したアンテナにおいて、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2を、等振幅、同位相の電力で励振するとともに、アンテナ素子２_B1および２_B2の平行間隔、すなわち、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の各長手方向の中心線相互の間隔と最大放射方向における利得との関係（破線）を示す図で、横軸および縦軸は図８（ａ）と同様である。
なお、図８（ｂ）において、実線は、図１（ａ）に示すように、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2とブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2を交互に配設し、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2には直接給電することなく、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2にのみ等振幅、同位相の電力を給電した場合における利得の変化を観測したものである。
図８（ａ）および図８（ｂ）に示した観測結果から明らかなように、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の平行間隔またはブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の平行間隔が０．３５λを超える範囲においては、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2のみでアンテナを形成した場合、またはブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2のみでアンテナを形成した場合、または図１（ａ）に示すように、フランクリンアンテナ素子およびブル−スアンテナ素子２_F1、２_B1、２_F2および２_B2を交互に配設し、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2にのみ給電してブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2には直接給電しない場合、あるいはブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2にのみ給電してフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2には直接給電しない場合の何れの場合においても、アンテナ素子の平行間隔の変化と最大放射方向における利得の変化の関係はほぼ同様である。
【００１１】
図９（ａ）は、本発明の他の実施例を示す平面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、本実施例においては、板状またはシ−ト状の誘電体１の表面に設けるフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2を、その平行間隔の中心線に対して対称に設け、したがって、給電点２_FF1 および２_FF2 がＹ軸方向におけるほぼ同一線上に設けられること、図１（ａ）に示した実施例と同様である。
ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2は平行に設けてあるから、給電点２_BF1 および２_BF2 もまた、Ｙ軸方向におけるほぼ同一線上に設けられることとなる。そして、本実施例においては、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の長手方向の設置位置に対して、ブル−スアンテナ２_B1および２_B2の長手方向の設置位置を相対的に適宜ずらせることにより、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の給電点２_FF1 および２_FF2 のＸ軸方向の位置に対して、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の給電点２_BF1 および２_BF2 のＸ軸方向の位置を適宜異ならせてある。
図９（ｂ）および図９（ｃ）において、ＷＧ_F およびＷＧ_B は導波管、Ｐ_F1、Ｐ_B1、Ｐ_F2およびＰ_B2（Ｐ_B2は図には現われていない）はプロ−ブで、プロ−ブＰ_F1およびＰ_F2をフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の給電点２_FF1 および２_FF2 に各別に接続し、プロ−ブＰ_B1およびＰ_B2をブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の給電点２_BF1 および２_BF2 に各別に接続してある。ＣＸ_F およびＣＸ_B は同軸接栓である。
本実施例においては、アンテナ素子の直下にほとんど密着して設けた伝送損失の少ない導波管ＷＧ_F を介して、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2への給電を行うとともに、同じくアンテナ素子の直下にほとんど密着して設けた伝送損失の少ない導波管ＷＧ_B を介して、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2への給電を行うように構成してあるから、給電回路構成が簡潔で、アンテナ全体の姿勢を低く保つことができ、給電回路における損失が少ないため、利得を高めることができる。
【００１２】
図１０は、図９に示した本発明アンテナにおけるフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の給電点２_FF1 および２_FF2 のＸ軸方向の位置と、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の給電点２_BF1 および２_BF2 のＸ軸方向の位置との間隔と、利得との関係を観測した結果を示す図で、横軸はフランクリンアンテナ素子とブル−スアンテナ素子とのＸ軸方向へのずれ間隔ｄＸを放射波長λで表し、縦軸は利得（ｄＢ）、黒丸印はフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の合成利得、白丸印はブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の合成利得で、図に示したように、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2とブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2とのＸ軸方向へのずれ間隔ｄＸを０．２５λに選んだ場合に、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の合成利得と、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の合成利得とが等しくなるように、例えば、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2への給電電力と、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2への給電電力とを調整した結果、フランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2とブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2とのＸ軸方向へのずれ間隔ｄＸを０．５０λ、０．７５λ、１．００λおよびほぼ１．１３λまで変化させた場合においてもフランクリンアンテナ素子２_F1および２_F2の合成利得と、ブル−スアンテナ素子２_B1および２_B2の合成利得との間に大きな差を生ずることはなかった。
すなわち、給電回路を構成する導波管ＷＧ_F およびＷＧ_B の平行間隔の影響を受けるおそれがほとんどないから、給電回路の設計の自由度が大で、例えば、１個の本発明アンテナによって、偏波ダイバ−シティ方式のブランチ構成を容易に行うことが可能となる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明アンテナは、姿勢が低く、構成が簡潔で、利得が高い等の特長を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図である。
【図２】本発明アンテナの構成素子であるフランクリンアンテナ素子の指向性を示す図である。
【図３】本発明アンテナの構成素子であるフランクリンアンテナ素子を示す図である。
【図４】本発明アンテナの構成素子であるブル−スアンテナ素子の指向性を示す図である。
【図５】本発明アンテナの構成素子であるブル−スアンテナ素子を示す図である。
【図６】本発明アンテナの指向性の改善手段を説明するための図である。
【図７】本発明アンテナの指向性を示す図である。
【図８】本発明アンテナの構成素子である二列のフランクリンアンテナ素子の平行間隔と利得の関係を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す図である。
【図１０】本発明アンテナにおけるフランクリンアンテナ素子とブル−スアンテナ素子の給電点間隔と利得の関係を示す図である。
【図１１】従来のアンテナを示す図である。
【符号の説明】
１ 板状またはシ−ト状の誘電体
２_F1、２_F2 フランクリンアンテナ素子
２_B1、２_B2 ブル−スアンテナ素子
３ 接地導体
２_FF1 、２_FF2 給電点
２_BF1 、２_BF2 給電点
ＷＧ_F 、ＷＧ_B 導波管
Ｐ_F1、Ｐ_F2 プロ−ブ
Ｐ_B1 プロ−ブ
ＣＸ_F 、ＣＸ_B 同軸接栓
１１₁ 〜１１₄ 放射素子
１２₁₁、１２₁₂ 給電点
１２₂₁、１２₂₂ 給電点
１２₃₁、１２₃₂ 給電点
１２₄₁、１２₄₂ 給電点
１３_H 、１３_V 給電線
１４₁ 、１４₂ 位相反転回路
１５_H 、１５_V 入出力端子

Claims (2)

1. 板状またはシ−ト状の誘電体の表面に、
   第１ないし第４のアンテナ素子を、各長手方向を同一方向に一致させて平行に設け、
   前記第１および第２のアンテナ素子のそれぞれを、
   長さが放射波長の¹/₂ の直線部分と、
   折れ線より成るＳ字形状を有し、５本の折れ線の各長さが放射波長の¹/₁₀より成る屈曲部分とを、
   交互に配設接続して成るフランクリンアンテナ素子で形成し、
   前記第１および第２のフランクリンアンテナ素子を、その平行間隔の中心線に対してほぼ対称に設け、
   前記第１および第２のフランクリンアンテナ素子の各長手方向の中心部における、放射波長の¹/₂ の長さを有する直線部分と、折れ線より成るＳ字形の屈曲部分との接続点を給電点とし、
   前記第３および第４のアンテナ素子のそれぞれを、
   長さが放射波長の¹/₄ で、前記第３および第４のアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分と、
   長さが放射波長の¹/₄ で、前記第３および第４のアンテナ素子の長手方向に直角な直線部分とを、
   交互に配設接続して成るブル−スアンテナ素子で形成し、
   前記第３および第４のブル−スアンテナ素子の各長手方向の中心部における、前記第３および第４のブル−スアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分の中心点を給電点とするとともに、
   前記板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に接地導体を設けて成ることを特徴とする偏波共用アレ−アンテナ。
2. 第１および第２のフランクリンアンテナ素子より成る一対のアンテナ素子を任意複数対設けるとともに、第３および第４のブル−スアンテナ素子より成る一対のアンテナ素子を任意複数対設けて成る請求項１に記載の偏波共用アレ−アンテナ。

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