JP5496107B2 - フェーズドアレイアンテナの正確な自動校正 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、フェーズドアレイアンテナに関し、とりわけ、直接放射型電子式操縦可能フェーズドアレイアンテナ（ＥＳＡ）の校正に用いられる装置および方法に関する。

直接放射型電子式操縦可能フェーズドアレイアンテナ（ＥＳＡ）は、一般的に、平面または曲面上で格子状に離間した複数の個々のアンテナ素子で構成されており、個々の素子の合成エネルギーが、アンテナを形成している。アンテナは、例えば、選択された方向における平面波から各素子が受信するエネルギーが干渉して合成される一方で、他の方向におけるエネルギーは合成されないように、個々の素子における時間遅延または位相偏移を電子的に調整することにより操縦する。一般的にビーム形成と呼ばれるこのプロセスは、ＥＳＡ概念の基本原理である。

所望のビーム形状を得る能力およびサイドローブ（不要方向における利得応答）を抑圧する能力である指向精度は、各素子における電子制御式時間遅延または位相偏移装置の精密さおよび精度に大いに依存する。すべてのアンテナ素子の利得応答は、精密かつ高精度に制御可能でなければならず、かつ、広帯域の用途では、最適な結果を達成するためには周波数応答特性もまた、整合させねばならない。動作周波数を高めるにつれて、機械的および電気的公差は決定的となり、その結果、許容可能な性能の達成に必要なプロセス制御の程度でアンテナを作製するのは実用的でなくなる。これは、マイクロ波周波数で動作するアンテナについては特に当てはまる。

フェーズドアレイの製造に用いられる方法の１つでは、小型の送信または受信素子を各素子の近距離場に配置し、それを用いて個々の素子の各々の利得および位相遅れまたは時間遅延特性を測定する。次いで、補償テーブルを作成し、これを用いて個々の素子の利得および位相誤差を補正する制御電圧の大きさを調整することができる。このプロセスは、時間がかかり、かつ、多くの場合校正測定が行われた周波数および周囲温度においてしか有効でない。

その他従来技術の例は、改良型特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはモノリシックマイクロ波集積回路にカップリングを設けるさらにもっと複雑な設計を用いている。さらなる開発では、これら従来技術の設計の組み合わせが用いられている。例えば、米国特許第６，１６３，２９６号明細書、米国特許第６，２０８，２８７号明細書、米国特許第６，２５２，５４２号明細書および米国特許第６，４８０，１５３号明細書を参照のこと。

従来技術の欠陥を克服するために、本開示は、個々のフェーズドアレイモジュールの健全性および完全性を確認することができ、かつ、多くの場合、フェーズドアレイアンテナが、所望のビームプロフィールの維持を助けるために修正された素子位相および振幅パラメータを計算するビームステアリングコンピュータの使用により素子故障を克服可能とするフェーズドアレイアンテナの組込み試験（ＢＩＴ）および校正の方法および装置を提供する。本開示は、フェーズドアレイアンテナの作製手法に概して悪影響を及ぼさないようにしてアレイの内部に配備されたＲＦ放射器の形態の１本以上のテストプローブを提供する。

とりわけ、本開示の一態様は、組込み試験能力を有するフェーズドアレイアンテナを提供する。装置は、一般的に、複数の個々のアンテナ素子と、個々のアンテナ素子の各々に対する制御回路とを有するフェーズドアレイアンテナシステムから構成されており、該素子は、ビーム形成ネットワークと、好ましくは、入力源から供給された被変調信号を送信または受信可能なモノポール放射器であるか、または、送信と受信の両方の能力を有するアレイの場合は、アレイ素子の１つ以上を放射器の代わりに用いることができる校正プローブと、ビームステアリングコンピュータとを形成している。さらなる実施形態は、反復擬似ランダムコードシーケンスを生成するための擬似ランダムノイズ発生器と、擬似ランダムコードシーケンスの同一コピーを入力源変調器およびプログラム可能な遅延回路へと送出するための電力分割器と、検出回路と、少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器と、必要に応じて、校正システム内の種々の点における信号を処理するためのさまざまなフィルタとを含む。

別の態様において、本開示は、フェーズドアレイアンテナシステムを校正する方法であって、フェーズドアレイアンテナシステムが、複数のアンテナ素子とビームステアリングコンピュータとを含む方法を提供する。ここに開示されている受信アレイ校正の方法によると、個々のアンテナ素子に隣接して設置されている校正プローブは、公知の信号を放射する。該公知の信号は、変調されていることが好ましく、かつ、時間遅延を正確に測定できるように擬似ランダムコードシーケンスによりコード化されていてもよい。コードシーケンスは、プログラム可能な遅延回路へと同時に送出される。校正プローブからの信号は、単一のアンテナ素子により受信され、検出回路へ送出される。ビームステアリングコンピュータは、出力信号を個々のアンテナ素子の各々に対して調整されているプログラム可能な遅延回路からのコードシーケンスと比較する。送信アレイ校正のために、公知の信号が、個々のアンテナ素子から送出され、校正テストプローブにより受信される。この校正方法は、迅速に完了させてもよく、個々のアレイ素子の健全性を正確に分析できる。

とりわけ、一態様において、本開示は、フェーズドアレイアンテナシステムの受信アレイ校正の方法を提供し、ここで、フェーズドアレイアンテナシステムは、複数のアンテナ素子と、ビームステアリングコンピュータと、校正プローブとを含み、該方法は、
（ａ）広帯域二相被変調入力信号を生成する工程と、
（ｂ）入力信号により校正プローブを励起する工程と、
（ｃ）複数のアンテナ素子のうちの１つに受信設定する工程と、
（ｄ）受信設定されたアンテナ素子において校正プローブから放射された入力信号を受信する工程と、
（ｅ）受信した信号を復調し、これをビームステアリングコンピュータにより分析して、アンテナ素子の健全性を判定する工程と、
（ｆ）残りのアンテナ素子の各々に対して工程（ｃ）から工程（ｅ）を繰り返す工程とを含む。

別の態様において、本開示は、フェーズドアレイアンテナシステムの送信アレイ校正の方法を提供し、ここで、フェーズドアレイアンテナシステムは、複数のアンテナ素子と、ビームステアリングコンピュータと、校正プローブとを含み、該方法は、
（ａ）広帯域二相被変調入力信号を生成する工程と、
（ｂ）複数のアンテナ素子のうちの１つに送信設定する工程と、
（ｃ）入力信号により送信設定されたアンテナ素子を励起する工程と、
（ｄ）校正プローブにおいて送信設定されたアンテナ素子から放射された入力信号を受信する工程と、
（ｅ）受信した信号を復調し、これをビームステアリングコンピュータにより分析して、アンテナ素子の健全性を判定する工程と、
（ｆ）残りのアンテナ素子の各々に対して工程（ｃ）から工程（ｅ）を繰り返す工程とを含む。

ここまで説明した特徴、機能および利点は、本開示のさまざまな実施形態において独立して達成可能であり、または、以下の説明および図面を参照してさらなる詳細が理解可能であるさらに他の実施形態において組み合わせてもよい。

ここまで説明した特徴、機能および利点は、本開示のさまざまな実施形態において独立して達成可能であり、または、以下の説明および図面を参照してさらなる詳細が理解可能であるさらに他の実施形態において組み合わせてもよく、ここで、同様の番号は同様の部品を表す。
図１は、本開示の一実施形態にしたがって、送信アレイ校正用に構成されたフェーズドアレイアンテナを示すブロック図である。 図２は、本開示の一実施形態にしたがって、受信アレイ校正用に構成されたフェーズドアレイアンテナを示すブロック図である。 図３ａは、本開示に係るフェーズドアレイアンテナの校正を示す工程系統図である。 図３ｂは、本開示に係るフェーズドアレイアンテナの校正を示す工程系統図である。 図４は、本開示の一実施形態に係る組込み試験能力を有するフェーズドアレイアンテナの分解図である。 図５は、完全に組み立てた図４のフェーズドアレイアンテナの図である。 図６は、図４および図５の実施形態にしたがって有用なプローブの詳細を示している。 図７は、本開示の別の実施形態に係る、三次元積層構造および組込み試験能力を有するフェーズドアレイアンテナの正面図である。 図８は、本開示の別の実施形態に係る、三次元積層構造および組込み試験能力を有するフェーズドアレイアンテナの背面図である。 図９は、図７および図８の実施形態にしたがって有用なプローブの図である。

以下の説明において、添付の図面に言及する。該図面は、本開示のさまざまな実施形態の一部を成し、これを例示目的でここに示す。

本開示は、フェーズドアレイアンテナを提供し、該アンテナは、アレイ内部にまたは隣接して配備されたＲＦ放射器の形態のテストプローブを有する。テストプローブのＲＦ放射器は、アレイから独立して動作し、テスト信号および校正信号を供給および受信する。一実施形態において、テストプローブは、フェーズドアレイアンテナの内部へまたは隣接して延在するバイアを通じて設置されているＲＦまたはモノポール放射器を形成する部分的に穴のあいた同軸ケーブルを含む。

従来技術により提案されているように近距離場基準線源または受信装置を素子ごとに順に進める代わりに、１つの一般的な放射または受信源は、名目上は、受信素子または放射素子の格子中央に位置している。中央源と受信素子との間の距離は分かっており、かつ、無線信号の伝搬速度は一定であるので、すべてのアンテナ素子の各々に対する正確な無線波伝搬遅延を計算することができる。この遅延を差し引くことにより、近距離場基準線装置を用いて校正するであろう手法と同じく各素子を校正することができる。

このアプローチは、多くの用途に対して十分であるが、動作帯域の増大または温度の変化に伴い、個々のアンテナ素子の特性も変化し、単一周波数および単一温度での校正の精度が低下する。

これらの問題を回避するために、許される場合は起動時と動作中の両方において定期的校正と結合した広帯域信号の組み合わせを用いる。広帯域信号は、フェーズドアレイにより一般的に送信または受信されている種類の信号をよりよく表しているので、周波数域の端から端まで校正でき、結果として全体の精度が向上する。定期的校正により、個々の素子特性における時間および温度に依存した変化が除去される。

広帯域信号を生成するために、シーケンスに、所望のフェーズドアレイ動作周波数に集中した無線搬送波を、デジタル最大長シーケンス発生器により生成した反復擬似ランダムコードにより二相変調させる。直角位相信号またはその他の信号を用いることもできる。変調の目的は２つある。第１に、変調により信号が拡散し、前述のようにより容易に測定精度を高めることができ、第２に、時間遅延が明白に測定可能なように搬送波に標識が付される。シーケンスの長さは、フェーズドアレイアンテナ素子および付随するビーム形成ネットワークのいずれかを通じて予測される時間遅延よりはるかに長くなければならず、かつ、一般に拡散スペクトルシステムにおけるチップ速度と呼ばれる二相変調器のクロック速度は、所望の帯域に亘って信号を拡散するよう選択せねばならない。チップ速度の増大により、より広い帯域に亘って校正が可能となり、チップ速度の減少により、より狭い帯域に亘る校正が支持される。

校正プロセスは、図１から図３ｂのブロック図を参照することによりもっともよく理解される。図１および図３ａは、送信アレイ校正用の構成を示し、図２および図３ｂは、受信アレイ校正用の構成を示す。各々の場合において、擬似ランダムコードが、擬似ランダムノイズ（ＰＮ）シーケンス発生器２０により生成され、次いで、電力分割器２２により均一に分配され、その結果、同一の位相および振幅を有する信号が、基準信号入力変調器１０およびプログラム可能な遅延線３０へと送出される。測定されている個々のアンテナ素子に対して予測される遅延にしたがって、プログラム可能な遅延を調整する。

より大型のアレイについては、プログラム可能な遅延線３０は、デジタルハードウェアとアナログハードウェアの組み合わせにより実施可能である。小型のアレイについては、プログラム可能なアナログ遅延線で十分なこともある。校正精度は、プログラム可能な遅延線において得られる解像度および出力信号７０のデジタル化に用いられるビット数の関数である。

送信用アレイを校正する際は（図１参照）、コード被変調信号を、帯域フィルタ５２を通じてフェーズドアレイアンテナまたはフェーズドアレイアンテナサブアレイ１００およびビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）へと送出する。次いで、信号を、個々のアンテナ素子（Φ１からΦｎ）を通じて校正プローブ４０へと送信する。受信するアレイを校正する際は（図２参照）、コード化された信号を、帯域フィルタ５２を通じてフェーズドアレイアンテナまたはフェーズドアレイアンテナサブアレイ１００へ校正プローブ４０を介して送出する。校正プローブから、信号を、ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）の個々のアンテナ素子（Φ１からΦｎ）により受信する。

広帯域二相コード被変調信号を用いて、送信フェーズドアレイの場合は各アンテナ素子を個々に励起するか、または、受信フェーズドアレイの場合は中央プローブを励起する。適正に機能するためには、送信アレイと受信アレイの両方は、各アンテナ素子が個々に起動できるように設計されていなければならない。これは、すべてのアンテナ素子がその入力または出力インピーダンスを維持するよう完全に電力供給されているとしても、入力から出力へのＲＦ経路は、校正されている個々の素子の経路に限定されていなければならないということを意味する。この目的を達成する１つの方法は、校正されている素子以外のすべてのアンテナ素子における可変利得増幅器の利得をゼロとするか、または、各アンテナ素子にスイッチを組み込んでＲＦ信号経路を無効にすることであろう。

再度図１および図２を参照して、出力信号は、帯域フィルタ５２を通じて検出回路６０へと送出される。検出回路からの出力は、ローパスフィルタ５６を通じてアナログ／デジタル変換器６８へと送出され、デジタル出力７０となる。

別の実施形態において、本開示は、リアルタイムでアレイにおける各モジュールの健全性校正、完全性および利用可能な機能を確認する簡便なアプローチをユーザに提供する。図３ａおよび図３ｂは、方法工程を列挙しており、これにより、上記実施形態を用いてフェーズドアレイアンテナを校正することができる。まず図３ａを参照して、第１の工程２００はビットの送信設定であり、工程２０２ではＥＳＡおよびＰＡＡに受信するようコマンドを送信する。次いで、工程２０４において、すべての素子を送信設定し、次に、工程２０６において、各素子を受信設定し、かつ、すべての利用可能な位相状態、すべての利用可能な減衰器状態および複素ＲＦ信号レベルを経て順に切り替える（cycled）。工程２０８において残りのアレイ素子の各々についてプロセスを繰り返す。

図３ｂを参照すると、プロセス全体は以下の通りである。まず、工程２１０において、ビットを受信設定する。工程２１２において、送信するようＥＳＡおよびＰＡＡにコマンド信号を送出する。次いで、工程２１４において、すべての素子を受信設定する。次に、工程２１６において、単一の素子を、送信設定し、かつ、すべての利用可能な位相状態、すべての利用可能な減衰器状態および複素ＲＦ信号レベルを経て順に切り替わるよう設定する。次いで、工程２１８において、アレイ素子の各々についてプロセスを繰り返す。アレイ内の各アンテナ素子を個々にテストするが、この方法は、非常に短時間で完了可能である。次いで、この情報を、ビームステアリングコンピュータ４５に提供する。したがって、故障が突発的でない場合、ビームステアリングコンピュータは、適正に機能していない素子の原因を明らかにするために走査パラメータを再構成することができる。下に説明する実施形態は、既存のハードウェアに対する主要な変更を必要とせず、新たな設計に容易に組み込むことができるので、安価かつ実施が簡単である。

本開示は、数多くの既存の従来技術のフェーズドアレイアンテナにそれらの性能に影響を及ぼすことなく容易に追加することができる。図４および図５を参照して、小型フェーズドアレイアンテナ５００は、ハニカム導波路構造体１２０とアンテナ集積プリント配線（ＡｉＰＷＢ）１３０とを含む広角インピーダンス整合（ＷＡＩＭ）構造を含む。これらの部品は、一方の側の冷却板１４０およびアダプタプレート１４４と他方の側の背面板１１０との間に取り付けられ、シールリング１３２を用いて封止される。小さいバイアおよび同軸ケーブル連結器５１０は、以下に説明するように、ＲＦまたはモノポール放射器を含む同軸ケーブルを収容するために冷却板１４０に設けられる。

ここで図６を参照して、本開示に係るＲＦまたはモノポール放射器を含む同軸ケーブル連結器は、遠端６１６が部分的にむき出しに剥がされている同軸ケーブルを含むプローブアセンブリ６１５を含む。むき出しの遠端は、アレイ内に含まれる個々のアンテナモジュールおよび個々のアンテナモジュールからの受信信号にテスト信号および校正信号を供給するためのＲＦまたはモノポール放射器として作用する。プローブアセンブリ６１５は、アンテナ５００内の１つ以上の内部構造における穴を通じて挿入するためのシールドされた本体部６１８を含む。ねじ連結器６２０は、プローブアセンブリ６１５の近端に設けられている。

上で説明し、かつ、図５に示したプローブアセンブリを有するサンプルのフェーズドアレイアンテナを、作製し、まず近距離場平面走査器を用いてテストし、その後、アンテナ範囲においてＢＩＴ連結器機能を確認した。ＢＩＴ連結器を通じて連続波信号を送信し、受信モードに設定したさまざまなモジュールにより独立して検出した。アレイの中央付近のアンテナ素子は、縁部に沿った素子より幾分高い連結レベルを示したが、アレイ内のすべてのアンテナ素子のモジュール健全性および位相偏移器機能を判定するには十分なダイナミックレンジであった。

別の実施形態において、引用によりここに組み込む米国特許第６，４２４，３１３号明細書に開示されたような「フラッシュキューブ」実装構造を有するフェーズドアレイアンテナにモノポールプローブを組み込む。図７から図９を参照して、ねじ山が切ってあるねじの形態のプローブ１５０が設けられ、アレイの裏側からハニカム導波路へ、そして、ＷＡＩＭ内へと繋がる。図９に示されているように、プローブは、同軸ケーブル１５４を収容するために中空となっている締付けねじ１５２を含む。ケーブルの遠端１５６は、むき出しに剥がされている。プローブ１５０は、ハニカム導波路を貫通して突出し、ＷＡＩＭ内へと至る位置に挿入されている。接地面とともに同軸導体は、ＲＦまたはモノポール放射器を形成する。ＲＦまたはモノポール放射器の正確な長さを最適化して、ＲＦまたはモノポール効率をアレイの走査特性に対する効果と均衡させる。

図７は、背面板およびＡｉＰＷＢがなく、プローブ１５０が挿入されているフェーズドアレイモジュールを示す。ＡｉＰＷＢは、アレイ内のモジュールの各々にＤＣ電力、論理信号およびＲＦ信号を分配する。背面板は、モジュールの各々を機械的に支持し、ＢＩＴ連結器を内部に収納する。図８は、ケーブルの露出端１５６が突出しているモジュールの正面側を示している。

特に本発明の装置およびプロセスの上述の実施形態ならびに「好適な」実施形態は、単に実施の可能性のある例に過ぎず、かつ、単に開示の原理の明確な理解のために記載したに過ぎないことを強調しておく。ここに説明されているフェーズドアレイアンテナの組込み試験および校正の方法および装置の数多くの種々の実施形態は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく設計および／または作製することができる。これらおよびその他のこのような変更および変形はすべて、本開示の範囲内においてここに包含され、かつ、以下の請求の範囲により保護されるよう意図されている。したがって、本開示の範囲は、添付の請求の範囲に示されている以外に限定されることがないよう意図されている。

Claims (13)

1. フェーズドアレイアンテナシステム（１００、５００）の受信アレイ校正の方法であって、フェーズドアレイアンテナシステムは、複数のアンテナ素子（Φ１からΦｎ）と、ビームステアリングコンピュータ（４５）と、フェーズドアレイアンテナの内部または隣接して配備された校正プローブ（４０、６１５）と、アンテナ素子の各々に対する個々の素子制御回路とを含み、前記方法が、
   （ａ）広帯域二相被変調入力信号を生成する工程と、
   （ｂ）入力信号により校正プローブを励起する工程と、
   （ｃ）複数のアンテナ素子のうちの１つに受信設定する工程と、
   （ｄ）受信設定されたアンテナ素子において校正プローブから放射された入力信号を受信する工程と、
   （ｅ）受信した信号を復調し、これをビームステアリングコンピュータにより分析して、アンテナ素子の健全性を判定する工程と、
   （ｆ）複数のアンテナ素子のうちの１つを位相状態について制御し、かつ、受信設定された各アンテナ素子の各位相を順に切り替える工程と、
   （ｇ）残りのアンテナ素子の各々に対して工程（ｃ）から工程（ｆ）を繰り返す工程とを含む方法。
2. 工程（ｆ）が、さらに、複数のアンテナ素子のうちの１つを減衰状態について制御し、かつ、受信設定された各アンテナ素子の各減衰状態を順に切り替える請求項１に記載の方法。
3. ビームステアリングコンピュータにより判定された健全性の欠如を補償するようアンテナ素子を制御する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
4. 入力信号が、連続波信号、広帯域信号および直角位相信号のうちの１つである請求項１に記載の方法。
5. デジタル最大長シーケンス発生器により生成された反復擬似ランダムシーケンスのうちの少なくとも１つを用いて、入力信号をコード化し、かつ、複製した反復擬似ランダムシーケンスをプログラム可能な遅延回路を介してビームステアリングコンピュータへと送出して、より容易にアンテナ素子の健全性を分析できるようにする請求項１に記載の方法。
6. フェーズドアレイアンテナシステム（１００、５００）の送信アレイ校正の方法であって、フェーズドアレイアンテナシステムは、複数のアンテナ素子（Φ１からΦｎ）と、ビームステアリングコンピュータ（４５）と、フェーズドアレイアンテナの内部または隣接して配備された校正プローブ（４０、６１５）と、アンテナ素子の各々に対する個々の素子制御回路とを含み、前記方法が、
   （ａ）広帯域二相被変調入力信号を生成する工程と、
   （ｂ）複数のアンテナ素子のうちの１つに送信設定する工程と、
   （ｃ）入力信号により送信設定されたアンテナ素子を励起する工程と、
   （ｄ）校正プローブにおいて送信設定されたアンテナ素子から放射された入力信号を受信する工程と、
   （ｅ）受信した信号を復調し、これをビームステアリングコンピュータにより分析して、アンテナ素子の健全性を判定する工程と、
   （ｆ）複数のアンテナ素子のうちの１つを位相状態について制御し、かつ、送信設定された各アンテナ素子の各位相を順に切り替える工程と、
   （ｇ）残りのアンテナ素子の各々に対して工程（ｃ）から工程（ｆ）を繰り返す工程とを含む方法。
7. 工程（ｆ）が、さらに、減衰器状態を基準にして複数のアンテナ素子のうちの１つを制御し、かつ、送信設定された各アンテナ素子が、各減衰器状態を経て順に切り替えられる請求項６に記載の方法。
8. ビームステアリングコンピュータにより判定された健全性の欠如を補償するようアンテナ素子を制御する工程をさらに含む請求項７に記載の方法。
9. 複製した反復擬似ランダムシーケンスをプログラム可能な遅延回路を介してビームステアリングコンピュータへと送出して、より容易にアンテナ素子の健全性を分析できるようにする請求項８に記載の方法。
10. 組込み試験能力を有するフェーズドアレイアンテナシステム（１００）であって、
    複数の個々のアンテナ素子（Φ１からΦｎ）および個々のアンテナ素子の各々に対する個々の制御回路から構成されるビーム形成ネットワークと、
    バイアを通じてフェーズドアレイアンテナの内部へと取り付けられている校正プローブ（４０）と、
    被変調信号を供給する入力源（１０）と、
    ビームステアリングコンピュータ（４５）と、
    を含み、
    個々の制御回路の各々が、複数のアンテナ素子のうちの１つを位相状態について制御する、
    フェーズドアレイアンテナシステム。
11. 個々の制御回路の各々が、複数のアンテナ素子のうちの１つを減衰状態について更に制御する、請求項１０に記載のフェーズドアレイアンテナシステム。
12. 反復擬似ランダムコードシーケンスを生成するための擬似ランダムノイズ発生器（２０）と、
    擬似ランダムコードシーケンスを分割し、同一の擬似ランダムコードシーケンスを入力源変調器およびプログラム可能な遅延回路へと送出するための電力分割器（２２）と、
    をさらに含む請求項１０又は請求項１１に記載のフェーズドアレイアンテナシステム。
13. 検出回路（６０）と、少なくとも１つのアナログ／デジタル変換器（６８）と、校正システム内の種々の点における信号を処理するための１つ以上のフィルタ（５２、５６）とをさらに含む請求項１２に記載のフェーズドアレイアンテナシステム。

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