JP6195502B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信に供されるアンテナ装置に関する。

特開昭６４−３２５０２号公報

無線通信に供されるアンテナ装置として、エレメント側とケーブル側との間のインピーダンス整合をとるための整合トランスを備えたものがある（例えば上記特許文献１の図１を参照）。

図９は、整合トランスを備えた従来のダイポールアンテナ１００の構成を示す回路図である。なお、ダイポールアンテナ１００は、受信用アンテナとされる。
図示するように、ダイポールアンテナ１００は、第一エレメント１０１、第二エレメント１０２、整合トランス１０３、及び同軸ケーブル１０４を備えている。整合トランス１０３は、第一エレメント１０１と第二エレメント１０２との間に挿入された第一整合コイル１０３Ａ及び第二整合コイル１０３Ｂと、同軸ケーブル１０４と接続された第三整合コイル１０３Ｃとを備えている。これら第一整合コイル１０３Ａ、第二整合コイル１０３Ｂ、及び第三整合コイル１０３Ｃは、それぞれ単線の巻線で構成されている。

第一エレメント１０１及び第二エレメント１０２には、外部より受信信号が誘起され、該誘起された受信信号が第一整合コイル１０３Ａ及び第二整合コイル１０３Ｂ側（つまり整合トランス１０３の一次側）から第三整合コイル１０３Ｃ側（同二次側）に励起されて、同軸ケーブル１０４に供給される。

このようなダイポールアンテナ１００においては、第一整合コイル１０３Ａ及び第二整合コイル１０３Ｂの誘導成分（インダクタンス）と浮遊容量（容量成分：キャパシタンス）とによってエレメント側とケーブル側との間のインピーダンス整合をとることが可能とされている。

しかしながら、従来のダイポールアンテナ１００は、次のような問題点を有している。
第１に、ダイポールアンテナ１００においては、エレメント側の各整合コイル（１０３Ａ，１０３Ｂ）が単線の巻線で構成されていることから、誘導成分と容量成分の設定の自由度が比較的低く、エレメント側のインピーダンスと同軸ケーブル側のインピーダンスとの整合をとることが困難とされている。このため、受信信号についてのＳ／Ｎ（信号対雑音比）の低下を招いていた。

第２に、エレメント側の各整合コイルが単線の巻線とされていると、これら整合コイルとしての素子のばらつき等に起因して二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性が悪化する。この電気的な同相成分の除去特性の悪化に起因して、ケーブル側からの妨害波及び雑音波に対する打ち消し効果が低下し、この点でもＳ／Ｎの低下を招いていた。

そこで、本発明は、上記した問題点を克服し、アンテナ装置についてＳ／Ｎの改善を図ることを目的とする。

第１に、本発明に係るアンテナ装置は、第一のエレメント及び第二のエレメントと、それぞれが前記第一のエレメントと前記第二のエレメントとの間に直列に挿入された複数の巻線を有する第一の整合コイル及び第二の整合コイルと、前記第一の整合コイル及び前記第二の整合コイルと磁気結合された第三の整合コイルとを有する整合トランスとを備え、前記第一の整合コイル及び前記第二の整合コイルは、各々が有する複数の前記巻線がバイファイラ巻きされたバイファイラ巻きコイルで構成されているのである。

バイファイラ巻きコイルを用いることで、インピーダンス整合をとるにあたってのリアクタンス（誘導成分と容量成分）の設定の自由度が向上する。また、バイファイラ巻きコイルとすることで、二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性が向上する。

第２に、上記した本発明に係るアンテナ装置においては、前記バイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされていることが望ましい。
これにより、二つのエレメントに誘起する外部からの同相成分の除去特性がより向上する。

第３に、上記した本発明に係るアンテナ装置においては、前記第一のエレメントと前記第二のエレメントとの間を接続する導線と、前記第三の整合コイルと接続された導線とが、抵抗素子を介して接続されていることが望ましい。
これにより、エレメント側の帯電成分を抵抗素子を介して放出するための経路が形成される。

第４に、上記した本発明に係るアンテナ装置においては、前記第三の整合コイルと接続された同軸ケーブルを備えることが望ましい。
同軸ケーブルを用いることで、外部から導線ケーブル側への伝導性の妨害波及び雑音波の影響が低減される。

第５に、上記した本発明に係るアンテナ装置においては、前記第三の整合コイルに対してフロートバランが接続されていることが望ましい。
これにより、外部から導線ケーブル側への伝導性の妨害波及び雑音波の排除特性が向上する。

本発明によれば、アンテナ装置についてＳ／Ｎ（信号対雑音比）の改善を図ることができる。

実施の形態のアンテナ装置の構成を示す回路図である。 第一の整合コイル、第二の整合コイルについての説明図である。 ツイストによる第一の作用についての説明図である。 ツイストによる第二の作用についての説明図である。 周波数−信号強度特性についての実験結果を示した図である。 周波数−反射損失特性についての実験結果を示した図である。 導線ケーブルを二線方式とした変形例についての説明図である。 帯電成分の放出経路に係る変形例についての説明図である。 従来のダイポールアンテナの構成を示す回路図である。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。

＜１．実施の形態のアンテナ装置の構成＞
［1-1．全体構成］
［1-2．整合コイルについて］
＜２．効果及び実験結果＞
＜３．変形例＞

＜１．実施の形態のアンテナ装置の構成＞
［1-1．全体構成］

図１は、本発明に係る実施の形態としてのアンテナ装置１の構成を示す回路図である。
図示するようにアンテナ装置１は、第一エレメント２、第二エレメント３、整合トランス４、同軸ケーブル５、フロートバラン６、及び抵抗素子Ｒ１を備えている。
本実施の形態のアンテナ装置１は、ダイポールアンテナとされる。

整合トランス４は、第一エレメント２と第二エレメント３との間に挿入された第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂと、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂと磁気結合された第三整合コイル４Ｃとを備えている。

第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂは、それぞれ二つの巻線を有して構成されている。すなわち、第一整合コイル４Ａは、巻線Ｌ１ａと巻線Ｌ１ｂとを有して構成され、第二整合コイル４Ｂは巻線Ｌ２ａと巻線Ｌ２ｂとを有して構成されている。
なお、これら第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂの詳細については後述する。

第三整合コイル４Ｃは、単線の巻線で構成されている。
第三整合コイル４Ｃは、フロートバラン６を介して同軸ケーブル５と接続されている。フロートバラン６は、チョークコイル６Ａとチョークコイル６Ｂとを有して構成されている。チョークコイル６Ａは、その巻き始め端部が同軸ケーブル５の信号線５Ａと接続され、巻き終わり端部が第三整合コイル４Ｃの巻き始め端部と接続されている。また、チョークコイル６Ｂは、その巻き始め端部が同軸ケーブル５の接地線（シールド線）５Ｂと接続され、巻き終わり端部が第三整合コイル４Ｃの巻き終わり端部と接続されている。

ここで、アンテナ装置１は受信用アンテナであるため、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂは整合トランス４の一次側巻線を構成し、同軸ケーブル５が接続される第三整合コイル４Ｃは二次側巻線を構成する。

アンテナ装置１においては、第一エレメント２及び第二エレメント３に外部より受信信号が誘起される。これら第一エレメント２及び第二エレメント３に誘起された受信信号は整合トランス４の一次側から二次側に誘起（励起）される。すなわち、第三整合コイル４Ｃに誘起される。このように第三整合コイル４Ｃに誘起された受信信号が、フロートバラン６を介して同軸ケーブル５に供給される。

また、本実施の形態のアンテナ装置１においては、第一エレメント２と第二エレメント３との間を接続する導線と、第三整合コイル４Ｃと接続された導線とが、抵抗素子Ｒ１を介して接続されている。換言すれば、エレメント側と同軸ケーブル５側とが抵抗素子Ｒ１を介して接続されているものである。
具体的に、本例においては、第一整合コイル４Ａの巻線Ｌ１ｂと第二整合コイル４Ｂの巻線Ｌ２ａの接続点と、第三整合コイル４Ｃの巻き終わり端部とフロートバラン６のチョークコイル６Ｂの巻き終わり端部の接続点とが、抵抗素子Ｒ１を介して接続されている。
抵抗素子Ｒ１の抵抗値は、整合トランス４の一次側／二次側間の浮遊容量によるインピーダンスより十分に大きな値に設定されている。

［1-2．整合コイルについて］

図１に示されるように、第一整合コイル４Ａを構成する巻線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ、及び第二整合コイル４Ｂを構成する巻線Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、巻線Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂの順で直列接続されている。そして、これら巻線Ｌ１ａ、Ｌ２ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ｂによる直列接続回路が、第一エレメント２と第二エレメント３との間に直列に挿入されている。

本実施の形態において、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂは、それぞれ巻線Ｌ１ａと巻線Ｌ１ｂ、巻線Ｌ２ａと巻線Ｌ２ｂがバイファイラ巻きされて形成されている。さらに、本例においては、これらバイファイラ巻きコイルを構成する「巻線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ」「巻線Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ」がそれぞれツイストされている。

図２は、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂについての説明図である。
図２Ａは、ツイストの概念図である。図２Ａに示される導線Ｌ１ａ’は、巻線Ｌ１ａを形成するための導線（巻線Ｌ１ａとなるべき導線）を意味する。また、導線Ｌ１ｂ’は、巻線Ｌ１ｂを形成するための導線（巻線Ｌ１ｂとなるべき導線）を意味する。
本例の第一整合コイル４Ａを実現するにあたっては、先ずこれら導線Ｌ１ａ’と導線Ｌ１ｂ’とによる撚り線対（ツイストペア）を形成する。そして、当該撚り線対を整合コイル４が有するボビン（不図示）に対して巻回する。これにより、「巻線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ」がバイファイラ巻きされ且つツイストされた第一整合コイル４Ａが実現される。
同様に、第二整合コイル４Ｂについても、巻線Ｌ２ａを形成するための導線Ｌ２ａ’と巻線Ｌ２ｂを形成するための導線Ｌ２ｂ’とによる撚り線対（ツイストペア）を形成した上で、当該撚り線対を前記ボビンに対して巻回することで形成する。これにより、「巻線Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ」がバイファイラ巻きされ且つツイストされた第二整合コイル４Ｂが実現される。

なお、本明細書で言う「バイファイラ巻き」とは、二つの導線が隣接した状態で巻回されて成るコイルを意味する。
確認のため、図２Ｂに第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂにおけるバイファイラ巻きを模式的に表した図を示しておく。

ここで、上記のように撚り線対を巻回しているため、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂのぞれぞれでは、巻線Ｌ１ａと巻線Ｌ１ｂ、巻線Ｌ２ａと巻線Ｌ２ｂの巻回方向が同方向となる（図１参照）。さらに、本実施の形態では、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂをそれぞれ構成する撚り線対の巻回方向を一致させている。従って、巻線Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂの巻回方向は全て同方向とされている（図１参照）。

このとき、バイファイラ巻きされた各巻線に流れる電流について考えると、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂのそれぞれで、各巻線に流れる電流の向きが逆向きになる。

＜２．効果及び実験結果＞

上記により説明した本実施の形態のアンテナ装置１は、第一エレメント２（第一のエレメント）及び第二エレメント３（第二のエレメント）と、第一エレメント２と第二エレメント３との間に挿入された第一整合コイル４Ａ（第一の整合コイル）及び第二整合コイル４Ｂ（第二の整合コイル）と、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂと磁気結合された第三整合コイル４Ｃ（第三の整合コイル）とを有する整合トランス４とを備えている。そして、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂが、バイファイラ巻きコイルで構成されている。

バイファイラ巻きコイルを用いることで、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂのそれぞれにおいて巻線間の容量（線間容量）が生じる。この線間容量を調整することによってもリアクタンスの調整が可能となる。従って、インピーダンス整合をとるにあたってのリアクタンスの設定の自由度が向上する。
また、巻線は一般的に絶縁層で被覆するが、この絶縁層の厚さの増減で容量成分の調整範囲を増すことができ、この点でもインピーダンス整合をとるにあたってのリアクタンスの設定の自由度が向上する。
このように、インピーダンス整合をとるにあたってのリアクタンスの設定の自由度が向上することで、エレメント側のインピーダンスとケーブル側（同軸ケーブル５側）のインピーダンスとの整合性の向上が図られる。そして、インピーダンスの整合性の向上が図られることで、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）の改善が図れる。

また、バイファイラ巻きコイルを用いることによっては、二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性が向上する。
ここで、バイファイラ巻きコイルを用いれば、前述したように各巻線（Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ａ、Ｌ２ｂ）の巻回方向を同方向とでき、第一整合コイル４Ａ及び第二整合コイル４Ｂのそれぞれにおいて各巻線に流れる電流の向きを逆向きにすることができる。すなわち、巻線Ｌ１ａと巻線Ｌ１ｂ、巻線Ｌ２ａと巻線Ｌ２ｂにそれぞれ流れる電流の向きを逆向きにできる。これにより、同軸ケーブル５に対するそれぞれの巻線の容量成分の非対称性を打ち消すことができるため、二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性が向上する。
エレメント間の電気的な同相成分の除去特性が向上することで、同軸ケーブル５側からの妨害波及び雑音波の影響を低減することができる。従って、この点でもＳ／Ｎの改善が図られる。

このように本実施の形態のアンテナ装置１によれば、エレメント側のインピーダンスとケーブル側のインピーダンスとの整合性が向上するという点と、二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性の向上により妨害波及び雑音波の影響が低減するという点とによって、Ｓ／Ｎの改善を図ることができる。

また、本実施の形態のアンテナ装置１は、バイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされている。
これにより、二つのエレメントに誘起する外部からの同相成分の除去特性が向上する。
ここで、第一整合コイル４Ａ、第二整合コイル４Ｂをそれぞれ構成する各巻線と同軸ケーブル５との間で生じる容量成分は、基本的には各巻線と同軸ケーブル５（信号線５Ａ）との間の距離により定まる。バイファイラ巻きコイルを構成する各巻線（それぞれ「巻線Ｌａ」「巻線Ｌｂ」とする）がツイストされていると、図３に示すように、巻線Ｌａの信号線５Ａに対する距離が短くなっている部分では巻線Ｌｂの信号線５Ａに対する距離が長くなっており、逆に巻線Ｌａの信号線５Ａに対する距離が長くなっている部分では巻線Ｌｂの信号線５Ａに対する距離が短くなっている。すなわち、巻線全体で見た場合、巻線Ｌａと巻線Ｌｂはそれぞれ信号線５Ａに対する距離が均一となる。
また、バイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされていると、図４Ａに実線矢印で示すように各巻線を構成する導線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの交点間にそれぞれ磁気ループが形成される。導線Ｌ１ａと導線Ｌ１ｂにそれぞれ逆向きの電流が流れる（図中の破線矢印）ことで、隣接する磁気ループ同士は磁気の流れが逆向きとなる。このため、隣接する磁気ループ間で外部との磁気的な結合が打ち消し合う。なお、バイファイラ巻きでなく平行巻きを採用した場合は、図４Ｂに示すように各巻線を構成する導線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ間には単一の大きな磁気ループが形成され、上記のような磁気ループ同士の打ち消し効果は得られない。
このようにバイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされていることによっては、信号線５Ａに対する各巻線の距離が均一化され、また磁気ループ間の外部との磁気的な結合についての打ち消し効果が得られることで、二つのエレメントに誘起する外部からの同相成分の除去特性が向上する。
従って、同軸ケーブル５側からの妨害波及び雑音波の影響をさらに低減することができ、Ｓ／Ｎのさらなる改善が図られる。

さらに、本実施の形態のアンテナ装置１は、第一エレメント２と第二エレメント３との間を接続する導線と、第三整合コイル４Ｃと接続された導線とが、抵抗素子Ｒ１を介して接続されている。
これにより、エレメント側の帯電成分を抵抗素子Ｒ１を介して放出するための経路が形成される。
ここで、従来のダイポールアンテナ１００においては、エレメント側とケーブル側との間の導通は整合トランス１０３の絶縁抵抗を介した導通以外に無いため、エレメント側が帯電し易くなっている。この帯電成分は、エレメント側に存在する構造物に対して外部から誘起する静電結合での同相成分と換言できるものである。このような帯電成分の電位が整合トランス１０３の絶縁耐圧を超えると、整合トランス１０３における絶縁破壊を招く虞がある。この絶縁破壊に伴う電荷の移動は雑音源となり得るものであり、受信信号への雑音成分の重畳が問題となる。
これに対し、上記のようにエレメント側の帯電成分を抵抗素子Ｒ１を介して放出可能とされた本実施の形態によれば、受信信号への雑音成分の重畳を抑制でき、この点でもＳ／Ｎの改善が図られる。

さらにまた、本実施の形態のアンテナ装置１は、第三整合コイル４Ｃと接続された同軸ケーブル５を備えている。
同軸ケーブル５を用いることで、外部からケーブル側への伝導性の妨害波及び雑音波の影響が低減される。従って、Ｓ／Ｎの改善が図られる。

加えて、本実施の形態のアンテナ装置１は、第三整合コイル４Ｃに対してフロートバラン６が接続されている。
これにより、外部からケーブル側への伝導性の妨害波及び雑音波の排除特性が向上する。従って、Ｓ／Ｎの改善が図られる。

本実施の形態のアンテナ装置１の効果について実証するべく、本発明者らは周波数−信号強度特性及び周波数−反射損失特性についての実験を行った。それらの結果を図５、図６にそれぞれ示す。
なお、周波数−信号強度特性について示す図５においては、図５Ａが本実施の形態のアンテナ装置１についての実験結果を示し、図５Ｂは比較として従来のダイポールアンテナ１００についての実験結果を示している。
同様に、周波数−反射損失特性について示す図６においても、図６Ａがアンテナ装置１についての実験結果を、また図６Ｂがダイポールアンテナ１００についての実験結果を示している。
なお、これらの各図において、「Ｃ」は受信信号の中心周波数を表している。本例では、Ｃ＝７３．０ＭＨｚである。

図５Ａ及び図５Ｂの結果より、本実施の形態のアンテナ装置１によれば、周波数Ｃを中心とした使用周波数帯域での信号強度が従来よりも上昇し、且つ使用周波数帯域以外での信号強度が従来よりも低下していることが確認できる。
また、図６Ａ及び図６Ｂの結果によれば、使用周波数帯域での反射損失は従来よりも低減されており、また反射損失の最小値も従来より低減されていることが確認できる。

これらの実験結果より、本実施の形態によれば、受信帯域の選択性の向上と受信感度の向上とが図られることが分かる。
このように選択性及び受信感度の向上が図られるのは、エレメント側のインピーダンスと同軸ケーブル５側のインピーダンスとの整合性が向上したことに起因する。また、選択性の向上に関して、特に使用周波数帯域以外での信号強度が低下するという作用に関しては、インピーダンスの整合性が向上した点以外にも、抵抗素子Ｒ１を介した経路により帯電成分（同相成分）を放出可能とした点が寄与している。

＜３．変形例＞

なお、本発明は、上記により説明した具体例に限定されるべきものではなく、多様な変形例が考えられるものである。
例えば、これまでの説明では、バイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされている例を挙げたが、ツイストは必須ではない。

また、受信信号を伝送する導線ケーブルとして同軸ケーブル５を用いる例を挙げたが、図７に示すように信号線７としてのケーブルと接地線８としてのケーブルとを別体とした所謂二線方式を採用することもできる。

また、これまでの説明では、エレメント側とケーブル側との接続箇所を一カ所のみとする場合を例示したが、図８に示すように接続箇所を増やすこともできる。
具体的に、図８の変形例では、巻線Ｌ１ｂと巻線Ｌ２ａの接続点と、第三整合コイル４Ｃの巻き終わり端部とフロートバラン６のチョークコイル６Ａの巻き終わり端部の接続点との間を抵抗素子Ｒ２を介して接続することで、同軸ケーブル５の接地線５Ｂ側のみでなく信号線５Ａ側にも帯電成分の放出経路を形成している。
このような構成とすることで、二つのエレメント間の電気的な同相成分の除去特性がより向上し、受信信号への雑音成分の重畳をさらに抑制でき、従ってＳ／Ｎのさらなる改善を図ることができる。

このとき、抵抗素子Ｒは省略することもできる。抵抗素子Ｒを省略しても、帯電成分についての放出経路が形成されることに変わりはなく、従ってＳ／Ｎの改善効果が得られる点も変わりはない。

なお、本発明において、エレメント側とケーブル側とを導線を介して接続する構成はＳ／Ｎのさらなる改善を図る上で有効であるが、該構成は本発明にとって必須の構成ではなく、勿論、エレメント側とケーブル側とを導線を介して接続しない構成も採り得るものである。

また、これまでの説明では、本発明をダイポールアンテナに適用する場合を例示したが、本発明は例えばループアンテナなど他の形態のアンテナ装置にも好適に適用できるものである。

さらに、本発明のアンテナ装置は、受信アンテナのみでなく送信アンテナにも適用できる。本発明を適用した送信アンテナは、アンテナエレメント以外からの不要な放射を低減したアンテナとして動作できる。
また、本発明のアンテナ装置は、同軸ケーブル５などの信号伝送のためのケーブルを構成要件として含まない形態も採り得るものである。

１…アンテナ装置、２…第一エレメント、３…第二エレメント、４…整合トランス、４Ａ…第一整合コイル４Ａ、４Ｂ…第二整合コイル、Ｌ１ａ,Ｌ１ｂ,Ｌ２ａ,Ｌ２ｂ…巻線、４Ｃ…第三整合コイル、５…同軸ケーブル、６…フロートバラン、６Ａ,６Ｂ…チョークコイル、Ｒ１,Ｒ２…抵抗素子

Claims (5)

1. 第一のエレメント及び第二のエレメントと、
   それぞれが前記第一のエレメントと前記第二のエレメントとの間に直列に挿入された複数の巻線を有する第一の整合コイル及び第二の整合コイルと、前記第一の整合コイル及び前記第二の整合コイルと磁気結合された第三の整合コイルとを有する整合トランスとを備え、
   前記第一の整合コイル及び前記第二の整合コイルは、各々が有する複数の前記巻線がバイファイラ巻きされたバイファイラ巻きコイルで構成されている
   アンテナ装置。
2. 前記バイファイラ巻きコイルを構成する巻線がツイストされている
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第一のエレメントと前記第二のエレメントとの間を接続する導線と、前記第三の整合コイルと接続された導線とが、抵抗素子を介して接続されている
   請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第三の整合コイルと接続された同軸ケーブルを備える
   請求項１乃至請求項３の何れかに記載のアンテナ装置。
5. 前記第三の整合コイルに対してフロートバランが接続されている
   請求項１乃至請求項４の何れかに記載のアンテナ装置。

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