JP4650897B2

JP4650897B2 - 周波数可変ｒｆフィルタ

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Publication number: JP4650897B2
Application number: JP2006252577A
Authority: JP
Inventors: 浩光内田; 尚史米田; 有西野; 育彦浦田; 幹夫畑本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2026-09-19
Also published as: JP2008078734A

Description

この発明は、周波数可変機能を有する周波数可変ＲＦ（Radio Frequency）フィルタに関し、特に、ＲＦ帯の帯域阻止フィルタおよび帯域通過フィルタに関するものである。

従来の帯域可変フィルタにおいては、回路素子値が固定された共振器にバラクタ（可変容量素子）を接続した可変共振器が用いられていた。

すなわち、ＲＦ信号が伝搬する主線路に沿って先端開放スタブが平行に配置され、同スタブがインダクタおよびバラクタを経て接地されて、これらのスタブ、インダクタおよびバラクタにより可変共振器を構成し、スタブと主線路が電磁的に結合することにより、可変共振器の共振周波数を減衰周波数とする可変帯域阻止フィルタとして動作するものがある（例えば、非特許文献１参照）。

IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Vol. 1,June 1988, "Electronically Tunable Bans-Stop Filter"

しかしながら、前述したバラクタは、一般にダイオードやＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）により実現されるが、いずれの場合にも一定量の寄生抵抗成分が含まれてしまう。従って、同バラクタを含む可変共振器が共振し、バラクタへの印加電流が最大となるときに前記寄生抵抗に起因する損失が顕著となり、いわゆる共振器のＱ値の低下が生じる。それにより、前出の可変帯域阻止フィルタの減衰量が劣化してしまう問題があった。

また、可変帯域阻止フィルタを含む送受信機を実際に運用するにあたっては、前出の可変共振器と主線路を電気的に完全に分断することにより全ての周波数を通過させることが要求される場合がある。しかし、バラクタはその制御電圧によらず一定量の容量値を有するため、上記フィルタは常に或る周波数を減衰周波数としてしまい、上記要求を満たすことができない問題もあった。

一方、一般に帯域可変フィルタにより不要波を適応的に抑圧するにあたっては、上述した可変帯域阻止フィルタではなく可変帯域通過フィルタを用いることでより広帯域にわたり不要波を抑圧することが時として求められる。可変帯域通過フィルタも可変帯域阻止フィルタと同様に前述した可変共振器を構成単位として構成されるが、可変帯域通過フィルタにおいては前述した共振器のＱ値の低下がその減衰量ではなく通過量の劣化として現れてしまうため、時として通信システム全体の性能を著しく損ねてしまう問題もあった。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、可変共振器のＱ値の劣化要因となるバラクタを固定共振器に対してより疎に結合させることでそのＱ値の劣化を極力抑圧し、同可変共振器を用いることで可変帯域阻止フィルタの減衰量劣化を抑圧すると共に、全ての周波数を通過させる動作状態を実現することができ、またそのＱ値の劣化を抑圧した可変共振器を用いることで減衰周波数域が広範でかつ通過損失の小さな可変帯域通過フィルタを実現することができる周波数可変ＲＦフィルタを得ることを目的とするものである。

この発明に係る周波数可変ＲＦフィルタは、ＲＦ信号が伝搬する主線路と、前記主線路に近接して配置され、前記主線路と電磁的に結合する共振器からなる周波数可変ＲＦフィルタであって、前記共振器として、前記主線路と電磁的に結合するよう前記主線路と平行に配置され、先端が短絡された一定長の伝送線路と、前記伝送線路の端点と地板との間に設けられたスイッチと、前記伝送線路と接地面との間に接続された可変容量素子とを備え、前記伝送線路を第一の伝送線路として、前記第一の伝送線路と平行に第二の伝送線路を近接配置して電磁的に結合させ、かつ前記可変容量素子を、前記第二の伝送線路の一端と接地面との間に接続したものである。

この発明によれば、可変共振器のＱ値の劣化を極力抑圧し、可変帯域阻止フィルタの減衰量劣化を抑圧すると共に、全ての周波数を通過させる動作状態を実現することができると共に、また減衰周波数域が広範でかつ通過損失の小さな可変帯域通過フィルタを実現することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。図１に示される周波数可変ＲＦフィルタは、誘電体基板１と、ＲＦ信号が伝搬する主線路となるマイクロストリップ線路２と、主線路２と電磁的に結合するように主線路２と平行に配置され、かつ一端が接地され、他端がスイッチを介して接地された一定長の伝送線路となるマイクロストリップ線路４と、マイクロストリップ線路４の内部の或る１点と接地面との間に接続されたバラクタダイオード５と、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード６とを備えている。

なお、３ａ、３ｂは本フィルタの入出力端子、８ａおよび８ｂはバラクタダイオード５およびＰＩＮダイオード６と誘電体基板１上の導体パターンを電気的に接続するためのボンディングワイヤ、９ａおよび９ｂはＤＣ電圧を遮断しＲＦ信号のみを通過させるためのキャパシタ、１０は誘電体基板１上の導体パターンを電気的に接地させるためのバイアホール、１１はＰＩＮダイオード６に制御電圧を印加するための高インピーダンスなマイクロストリップ線路、１２ａおよび１２ｂはバラクタダイオード５およびＰＩＮダイオード６へ制御電圧を印加する外部電源を接続するための制御用端子、１３はバラクタダイオード５に制御電圧を印加するための薄膜抵抗パターンである。

次に、この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタの動作について説明する。図２は、本実施の形態１によるフィルタを簡略化した回路図である。なお、同図において、各ダイオード５，６へ制御電圧を印加するための回路要素およびＤＣ電圧遮断用キャパシタは、以下に記述する上記フィルタの動作説明上不要であるので省略されており、また、図１にて示したバラクタダイオード５は、可変容量素子と寄生抵抗からなる直列回路として表現されている。

まず、図３に、図２においてＰＩＮダイオード６をオフ状態としたときの回路図を示す。このとき、伝送線路としてのマイクロストリップ線路４の右端は電気的開放となるため、同線路は基本的には１／４波長共振器として動作し、主線路２と電磁的に結合することにより、図３に示す回路は帯域阻止フィルタとして動作する。しかし、マイクロストリップ線路４の或る一点には可変容量素子であるバラクタダイオード５が接続されており、その容量値を制御電圧により変化させることで共振器の共振周波数を制御できることから、図３に示す回路は可変帯域阻止フィルタとして動作する。

ここで、図４に、上記バラクタダイオード５の伝送線路としてのマイクロストリップ線路４における接続位置ｘと、その無負荷Ｑおよび共振周波数の可変範囲の関係図を示す。バラクタダイオード５を電気的短絡点にてシャントに接続したｘ＝０の場合には、バラクタダイオード５の印加電流は常に０となり、共振周波数を変化することはできず、共振器の無負荷Ｑは伝送線路としてのマイクロストリップ線路４ほかの固定素子のみにより決定される。一方、接続位置ｘを大きくするにつれてバラクタダイオード５の印加電流が増加し共振周波数の可変範囲は拡大する一方、バタクタダイオード５の有する寄生抵抗における印加電流も同時に増大するため、共振器の無負荷Ｑはｘ＝０のときに比べて低下することになる。

従って、本実施の形態１のように、その先端が短絡された１／４波長共振器の端点ではなくその内部の或る一点にバラクタダイオード５を接続することにより、一定量の共振周波数可変範囲と無負荷Ｑを同時に得ることができ、同共振器を用いて可変帯域阻止フィルタを構成することにより、バラクタダイオード５の寄生抵抗に起因する減衰量劣化を抑圧することが可能となる。

一方、図５に、図２においてＰＩＮダイオード６をオン状態としたときの回路図を示す。同図において、伝送線路としてのマイクロストリップ線路４はその両端が共に接地されるため、もはや１／４波長共振器として動作しない。図６は、図５における結合線路部のみを抽出してその等価回路変形を施す手順を示す図であり、図中のｙ_１１、ｙ_１２、ｙ_２２は結合線路部が形成する結合線路のアドミタンス行列成分である。同図に示した回路変形から分かるように、伝送線路４の両端が共に接地された場合は同線路４と主線路２は全く結合しなくなり、そのことは伝送線路４にバラクタ５を付加した場合も同様となる。

従って、本実施の形態１のように、その先端が短絡された１／４波長共振器の端点にＰＩＮダイオード６などのスイッチを地板との間に接続し、同スイッチをオン状態とすることにより、全ての周波数を通過させる全域通過状態を形成することができる。

このように、ＲＦ信号が伝搬する主線路２に沿ってその先端が短絡された一定長の伝送線路としてのマイクロストリップ線路４を平行に配置し、同線路４の内部の或る点にバラクタダイオード５をシャントに接続し、かつ前記線路４の端点にはＰＩＮダイオード５を接地面との間に接続して、それらを適宜制御できるようにした周波数可変帯域阻止フィルタを構成することにより、バラクタの寄生抵抗に起因する減衰量の劣化を防ぐことが可能となり、また、その運用状態として時に必要となる全域通過状態を容易に実現することができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。図２に示す周波数可変ＲＦフィルタは、図１に示す実施の形態１に係る周波数可変ＲＦフィルタと同様な、誘電体基板１と、主線路２と、伝送線路となるマイクロストリップ線路４Ａと、バラクタダイオード５と、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード６と、ボンディングワイヤ８ａと、キャパシタ９ａと、バイアホール１０と、マイクロストリップ線路１１と、制御用端子１２ａ，１２ｂと、薄膜抵抗パターン１３とを備える他、伝送線路として前記マイクロストリップ線路４Ａを第一のマイクロストリップ線路とし、これに平行に近接して配置されて電磁的に結合される第二のマイクロストリップ線路４Ｂを備え、マイクロストリップ線路４Ｂの一端と接地面との間に前記バラクタダイオード５を接続している。

次に、この発明の実施の形態２による周波数可変ＲＦフィルタの動作について説明する。本実施の形態２は、実施の形態１において、主線路２と電磁的に結合する可変共振器を、前記第一および第二のマイクロストリップ線路４Ａ、４Ｂからなる結合線路により構成したものである。実施の形態１における１／４波長共振器は、本実施の形態２においては、前記第一のマイクロストリップ線路４Ａに相当し、また、実施の形態１においては、バラクタダイオード５を当該共振器に直接結線していたのに対して、本実施の形態２においては、前記第二のマイクロストリップ線路４Ｂを当該共振器に平行に近接配置して電磁的に結合させたことを特徴としている。

従って、本実施の形態２は、実施の形態１と同様に、可変帯域阻止フィルタとして動作し、バラクタの寄生抵抗に起因する減衰量の劣化を防ぎかつその運用状態として時に必要となる全域通過状態を容易に実現することができる。

さらに、本実施の形態２においては、共通の伝送線路にバラクタダイオード５およびＰＩＮダイオード６が結線される実施の形態１とは異なり、それらの各ダイオードが結線される線路が互いに異なることからバラクタダイオード５およびＰＩＮダイオード６の制御電圧を分離するためのキャパシタ（図１の符号９ａ，９ｂ）の個数を減じることが可能となり、同制御電圧を印加するための制御回路、ひいてはフィルタ全体の回路構成をより簡素にすることが可能となる。

このように、ＲＦ信号が伝搬する主線路２に沿ってその先端が短絡された一定長の第一の伝送線路（第一のマイクロストリップ線路４Ａ）を平行に配置すると共に同線路と電磁的に結合する第二の伝送線路（第二のマイクロストリップ線路４Ｂ）を平行に配置し、前者にはＰＩＮダイオード６、後者にはバラクタダイオード５をシャントに接続することにより周波数可変帯域阻止フィルタが構成され、バラクタの寄生抵抗に起因する減衰量の劣化を防ぐことが可能となり、また、その運用状態として時に必要となる全域通過状態を容易に実現することができる。さらに、前記バラクタダイオード５およびＰＩＮダイオード６が結線される伝送線路が互いに異なることから、それらの制御回路を簡素化しフィルタ全体の回路構成を簡素化することが可能となる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。図８に示す周波数可変ＲＦフィルタは、実施の形態１と同様な周波数可変ＲＦフィルタの阻止周波数帯を互いに異ならせて２個（複数個であっても良い）縦続接続したもので、実施の形態１と同様な２個の同一の可変帯域阻止フィルタ４５、同じく２個の同一の可変帯域阻止フィルタ５１、終端抵抗５９、および３ｄＢカプラとして動作するランゲカプラ６６により主に構成されている。

すなわち、２個の同一の可変帯域阻止フィルタ４５は、図１に示す実施の形態１と同様な、誘電体基板１と、主線路２と、伝送線路となるマイクロストリップ線路４と、バラクタダイオード５と、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード６と、ボンディングワイヤ８ａと、キャパシタ９ａと、バイアホール１０と、マイクロストリップ線路１１と、制御用端子１２ａ，１２ｂと、薄膜抵抗パターン１３とをそれぞれ備えている。

また、２個の同一の可変帯域阻止フィルタ５１は、図１に示す実施の形態１と同様な、誘電体基板２１と、主線路２２と、伝送線路となるマイクロストリップ線路２４と、バラクタダイオード２５と、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード２６と、ボンディングワイヤ２８ａと、キャパシタ２９ａと、バイアホール３０と、マイクロストリップ線路３１と、制御用端子３２ａ，３２ｂと、薄膜抵抗パターン３３とをそれぞれ備えている。

また、終端抵抗５９は、誘電体基板５１と、薄膜抵抗パターン５６と、バイアホール５７と、マイクロストリップ線路５８とを有する。また、ランゲカプラ６６は、誘電体基板６１と、マイクロストリップ線路６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄと、ボンディングワイヤ６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄとを有する。

なお、８１と８２は、２種類の可変帯域阻止フィルタ４５、５１をボンディングワイヤ４３ａ、４３ｂにより結線するための誘電体基板とマイクロストリップ線路である。また、ランゲカプラ６６にある端子６５ａおよび６５ｂは、本実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタの入出力端子となり、２つの分配端子は２個の同一の可変帯域阻止フィルタ４５にボンディングワイヤ４４によりそれぞれ接続され、２個の同一の可変帯域阻止フィルタ５１の出力端子をボンディングワイヤ４３により終端抵抗５９で終端している。

次に、この発明の実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタの動作について説明する。図９に、本実施の形態３によるフィルタの簡素化した等価回路を示す。本実施の形態３は、いずれも前述した実施の形態１の回路構成を有しつつも互いに可変周波数範囲の異なる２種類の可変帯域阻止フィルタ４５と５１、および終端抵抗５９からなる同一の回路が２個用いられており、さらに、それらが３ｄＢカプラであるランゲカプラ６６によってバランス形配置された回路構成を有している。

同回路において、バランス形回路が有する一般的特性からその入出力端子６５ａ、６５ｂでみた通過量は同図中の点Ｂにおける反射係数｜Γ_ｉｎ｜と同一となる。ここで、Γ_ｉｎは図中Ｂ点から２つの異なる可変帯域阻止フィルタが縦続接続された回路を見たときの反射係数であり、同回路は終端抵抗５９により終端されていること、また、実施の形態１の可変帯域阻止フィルタは前述したようにそれに含まれるＰＩＮダイオードをオン状態とすることにより全域通過状態を作り出せることから、前記｜Γ_ｉｎ｜は可変帯域阻止フィルタ４５、５１に含まれるＰＩＮダイオード６、２６のオン、オフにより、図１０に示すような特性を呈する。従って、前述したバランス形回路の有する特性により、図９に示す回路は可変帯域通過フィルタとしての動作を呈することになる。

なお、本実施の形態３においては、３ｄＢカプラを用いてバランス形回路を構成することにより上記特性を得ているが、３ｄＢカプラに代わりサーキュレータを用いて可変帯域阻止フィルタ４５、５１および終端抵抗５９からなる上記回路を前記サーキュレータの一端子に接続することによっても同様の特性を得ることができる。また、本実施の形態３においては、その構成要素として実施の形態１の可変帯域阻止フィルタを用いているが、それに代わり実施の形態２の同フィルタを用いても同様の特性を得ることができる。

このように、実施の形態１あるいは２の可変帯域阻止フィルタをバランス形配置することにより可変帯域通過フィルタが構成され、同可変帯域阻止フィルタはその高Ｑな特性によりその反射係数｜Γ_ｉｎ｜が比較的大きくなることから、本実施の形態３によれば、通過損失が比較的小さな可変帯域通過フィルタを得ることができる。また、本実施の形態３のように、互いに可変周波数範囲の異なる複数個の可変帯域阻止フィルタを縦続接続して抵抗終端とした上でバランス形配置して各可変帯域阻止フィルタの動作をオン、オフさせることにより、回路全体としては周波数可変範囲の十分広い可変帯域通過フィルタを得ることができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。同図は、可変帯域阻止フィルタ１１０、サーキュレータ１１１、および終端抵抗５９により主に構成されている。可変帯域阻止フィルタ１１０は、阻止周波数帯が互いに異なる実施の形態１と同様な周波数可変ＲＦフィルタを備え、主線路２を共通にして、当該主線路２の両側に、阻止周波数帯が互いに異なる周波数可変ＲＦフィルタの共振器を配置している。阻止周波数帯が互いに異なる周波数可変ＲＦフィルタの共振器としては、伝送線路となるマイクロストリップ線路４と、バラクタダイオード５と、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード６と、ボンディングワイヤ８ａと、キャパシタ９ａと、バイアホール１０と、マイクロストリップ線路１１と、制御用端子１２ａ，１２ｂと、薄膜抵抗パターン１３とを備える共振器と、伝送線路となるマイクロストリップ線路４Ｃと、バラクタダイオード５Ｃと、スイッチとして動作するＰＩＮダイオード６Ｃと、ボンディングワイヤ８ａＣと、キャパシタ９ａＣと、バイアホール１０Ｃと、マイクロストリップ線路１１Ｃと、制御用端子１２ａＣ，１２ｂＣと、薄膜抵抗パターン１３Ｃとを備える共振器を有する。

サーキュレータ１１１は、誘電体基板１６１と、同基板上にマウントされたサーキュレータ本体１６２とを有し、１６３ａ、１６３ｂ、１６３ｃはＲＦ信号が伝搬するマイクロストリップ線路であり、サーキュレータ１１１にある端子１６５ａおよび１６５ｂは、本実施の形態による周波数可変ＲＦフィルタの入出力端子となり、周波数可変ＲＦフィルタとはボンディングワイヤ１１３ｂにより接続されている。また、終端抵抗５９は、実施の形態３と同様に、誘電体基板５１と、薄膜抵抗パターン５６と、バイアホール５７と、マイクロストリップ線路５８とを有し、周波数可変ＲＦフィルタとはボンディングワイヤ１１３ａにより接続されている。

次に、この発明の実施の形態４による周波数可変ＲＦフィルタの動作について説明する。本実施の形態４は、前述した実施の形態３において、３ｄＢカプラに代えてサーキュレータ１１１を使用し、また、同実施の形態３において周波数可変範囲の異なる２つの周波数可変帯域阻止フィルタを縦続接続していたのに代えて、各フィルタを構成する可変共振器と電磁的に結合する主線路２を共有するようにしたものである。実施の形態３と同様に、本実施の形態４においてもフィルタの入力端子１６５ａに入力された信号は可変帯域阻止フィルタ１１０の阻止域でのみ反射され、その反射波はサーキュレータ１１１を介してフィルタの出力端子１６５ｂに出力される。

従って、本実施の形態４もまた周波数可変帯域通過フィルタとしての特性を呈することになる。但し、実施の形態３に比べて、３ｄＢカプラに代えてサーキュレータ１１１を用いることにより、ＲＦ信号を反射させるために必要となる可変帯域阻止フィルタの台数を２から１に減じることができ、かつ同帯域阻止フィルタにおいて異なる複数個の可変周波数範囲を実現するにあたり、共通する主線路２に対してその両脇に異なる形状を有する可変共振器を配置することにより回路寸法を大幅に小型化することが可能となる。

このように、可変帯域阻止フィルタをサーキュレータに接続し、かつ同フィルタにおいて異なる可変共振器を共通する主線路に対して結合させるように配置することにより、非常に小型な可変帯域通過フィルタを構成することができる。

この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタの簡略化した回路図である。この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタにおいて、ＰＩＮダイオードをオフ状態としたときの回路図である。この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタにおける、バラクタダイオードの接続位置と共振器無負荷Ｑおよび共振周波数可変範囲を示す図である。この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタにおいて、ＰＩＮダイオードをオン状態としたときの回路図である。この発明の実施の形態１による周波数可変ＲＦフィルタにおいて、それに含まれる結合線路部の等価回路変形を示す図である。この発明の実施の形態２による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。この発明の実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。この発明の実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタの簡略化した回路図である。この発明の実施の形態３による周波数可変ＲＦフィルタにおいて、その内部の点からみた反射係数｜Γ_ｉｎ｜の周波数特性を示した図である。この発明の実施の形態４による周波数可変ＲＦフィルタを示す図である。

符号の説明

２、４マイクロストリップ線路、５バラクタダイオード、６ＰＩＮダイオード、４Ａ第一のマイクロストリップ線路、４Ｂ第二のマイクロストリップ線路、５９終端抵抗、６６ランゲカプラ、１１１サーキュレータ。

Claims

ＲＦ信号が伝搬する主線路と、前記主線路に近接して配置され、前記主線路と電磁的に結合する共振器からなる周波数可変ＲＦフィルタであって、
前記共振器として、
前記主線路と電磁的に結合するよう前記主線路と平行に配置され、先端が短絡された一定長の伝送線路と、
前記伝送線路の端点と地板との間に設けられたスイッチと、
前記伝送線路と接地面との間に接続された可変容量素子と
を備え、
前記伝送線路を第一の伝送線路として、前記第一の伝送線路と平行に第二の伝送線路を近接配置して電磁的に結合させ、かつ前記可変容量素子を、前記第二の伝送線路の一端と接地面との間に接続した
ことを特徴とする周波数可変ＲＦフィルタ。
請求項１に記載の周波数可変ＲＦフィルタの阻止周波数帯を互いに異ならせて複数個縦続接続した
ことを特徴とする周波数可変ＲＦフィルタ。
阻止周波数帯が互いに異なる請求項１に記載の周波数可変ＲＦフィルタを複数備え、前記主線路を共通にして、当該主線路の両側に、阻止周波数帯が互いに異なる周波数可変ＲＦフィルタの共振器を配置した
ことを特徴とする周波数可変ＲＦフィルタ。
請求項２に記載の周波数可変ＲＦフィルタを２個用いて、それらの各入力端子を３ｄＢカプラの２つの分配端子に接続し、かつ前記周波数可変ＲＦフィルタの出力端子を終端抵抗で終端し、前記カプラの残り２つの端子を前記カプラの入力および出力端子とした
ことを特徴とする周波数可変ＲＦフィルタ。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の周波数可変ＲＦフィルタの入力端子をサーキュレータの任意の端子に接続し、かつ前記周波数可変ＲＦフィルタの出力端子を終端抵抗で終端し、前記サーキュレータの残り２つの端子を前記サーキュレータの入力および出力端子とした
ことを特徴とする周波数可変ＲＦフィルタ。