JP7066570B2 - プローブ保持装置およびそれを用いたアンテナパターン測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、プローブ保持装置およびそれを用いたアンテナパターン測定装置に関する。

無線通信の用途拡大および使用周波数の広がりに伴い、高い無線品質を実現できるアンテナが望まれている。このような無線通信の品質要求に応じて適切なアンテナ設計を行なうためには、受信アンテナにおいて直達波のみの利得パターンを測定することが重要である。

そこで、例えば、特許文献１，２には、反射波が受信アンテナに到達しないように、アンテナの周囲に反射板を設けた構成が開示されている。

特開平３－１３８９９９号公報 特開２００３－２６２６５２号公報

近年、アンテナ特性をさらに正確に把握する技術が要求されている。

本開示のプローブ保持装置は、第１端と第２端との間を長手方向として伸びる延伸部を含むアーム部と、前記第２端から前記長手方向に伸びる、高周波信号を入出力するプローブと、を備える。前記延伸部の外側面は、前記第１端の外形と前記第２端の外形とを最短距離でつないで形成される仮想外側面と同一面もしくは前記仮想外側面の内側に位置している。さらに、前記長手方向と直交する面で見たときに、前記第２端の外形は、前記第１端の外形よりも小さく、前記第２端の外形の重心は、前記第１端の外形の重心よりも第１方向の正側に位置している。そして、前記第２端および前記第１端の外形は共に、前記第１方向の最も正側に位置する部分から負側に向かうにつれて幅が大きくなる拡幅部を備えている。

本開示のアンテナパターン測定装置は、前記プローブ保持装置と、前記プローブに電気的に接続するよう固定された第１アンテナと、前記第１アンテナに対して相対位置を変化させることのできる可動部と、前記可動部に固定された、前記第１アンテナからの高周波信号を受信するか、前記第１アンテナに高周波信号を送信する前記第２アンテナと、を含む。

上記構成によれば、アンテナ特性を精度良く測定するプローブ保持装置およびそれを用いたアンテナパターン測定装置を提供することができる。

図１（ａ）は本開示にかかるプローブ保持装置をＤ２方向からみた図であり、図１（ｂ）は、本開示にかかるプローブ保持装置をＤ３方向からみた図であり、図１（ｃ）は、本開示にかかるプローブ保持装置をＤ１方向からみた図である。 図２（ａ）は比較例にかかるプローブ保持装置をＤ２方向からみた図であり、図２（ｂ）は、比較例にかかるプローブ保持装置をＤ３方向からみた図であり、図２（ｃ）は、比較例にかかるプローブ保持装置をＤ１方向からみた図である。 図３（ａ）～図３（ｃ）はそれぞれ、図１に示すプローブ保持装置の変形例の、図３（ａ）はＤ２方向からみた図であり、図３（ｂ）はＤ３方向からからみた図であり、図３（ｃ）はＤ１方向からみた図である。 図４（ａ）～図４（ｃ）はそれぞれ、図１に示すプローブ保持装置の変形例の断面図である。 比較例に係るプローブ保持装置を示す図である。 本開示に係るアンテナパターン測定装置を示す模式図である。 図７（ａ），図７（ｂ）はそれぞれ、図１に示すプローブ保持装置の変形例のＤ２方向からみた図である。 図８は、図１に示すプローブ保持装置の変形例の断面図である。

以下、本開示のプローブ保持装置の一例を図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態のプローブ保持装置１は、図１に示すように、アーム部１０とプローブ２０とを備える。ここで、互いに直交するＤ１，Ｄ２，Ｄ３方向を定義したときに、図１（ａ）は、プローブ保持装置のＤ２方向に直交する面からみた図を示し、図１（ｂ）は、プローブ保持装置のＤ３方向に直交する面からみた図を示し、図１（ｃ）は、プローブ保持装置のＤ１方向に直交する面からみた図を示す。プローブ保持装置１全体は、Ｄ３方向を長手方向とする略円錐形状となっている。

アーム部１０は、第１端１１と第２端１３との間を長手方向に伸びる延伸部１５を備える。すなわち、延伸部１５はＤ３方向を長手方向に伸びる形状となっている。第２端１３は第１端１１よりもＤ２方向の正側に位置している。

第１端１１と第２端１３との距離は、適宜決定すればよいが、例えば、８０ＧＨｚ測定の場合には４０λ程度としてもよい。また、６０ＧＨｚ帯の信号測定の場合には３２λ程度としてもよい。

（延伸部１５の外形）
図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、延伸部１５において、第１端１１に比べて第２端１３はＤ１方向の正方向に位置している。言い換えると、延伸部１５は、Ｄ１方向の正側に傾くようにＤ３方向に延伸している。より具体的には、第１端１１の外形の中心１１ｃと第２端１３の外形の中心１３ｃとはＤ２方向からみたときに一致しておらず、中心１３ｃが中心１１ｃに比べＤ１方向の正側に位置している。ここで、外形の「中心」とはＤ１方向とＤ２方向とで形成される平面と平行な面における断面で観察したときに、外形の重心に相当する部分である。本例の場合には、第１端１１および第２端１３の外形は円状であるため、円の中心が外形の中心となる。

そして、第１端１１の外形と第２端１３の外形とを比較すると第１端１１の外形の方が大きくなっている。すなわち、延伸部１５はＤ３方向の正側に向かうにつれて断面積が小さくなっている。

第１端１１における外形および第２端１３における外形は、Ｄ１方向の最も正側でＤ２方向に伸びる幅が最も小さくなっている。そして、Ｄ１方向の負側に向かうにつれてＤ２方向に伸びる幅が大きくなる拡幅部１１ｄ，１３ｄを備えている。これにより、延伸部１５において、Ｄ１方向の最も正側に位置する部分を少なくすることができる。

このような、延伸部１５の外側面１５ａは、Ｄ３方向に沿った断面で見たときに角部（段差部や突起部）等の不連続な部分は存在せずに連続的な面（この例では曲面）となっている。角部が存在する場合には角部における反射が生じることで後述のマルチパスの要因となりうる。このため、Ｄ３方向に沿った断面で見たときに角部を備えない構成としてもよい。

この例では、外側面１５ａは、Ｄ３方向に直交する断面でみたときにも角部等の不連続な部分は存在しない。

そして、外側面１５ａは、図１（ａ），図１（ｃ）に示すように、長手方向に沿った断面を確認したときに、第１端１１の外周と第２端１３の外周とを最短距離、すなわち、直線で結んだ時に形成される仮想外側面１５ｂと同等もしくは内側に位置している。この例では、外側面１５ａと仮想外側面１５ｂとは一致する。

（延伸部１５のその他の構成）
延伸部１５は、後述のプローブ２０を保持する剛性（強度）を備える材料からなる。例えば、Ｓｉ，Ａｌ等を用いることができる。また、カーボンやフェライト等の電波吸収体構成材料を含めてもよい。導電性材料も絶縁性材料も用いることができるが、プローブ２０に高周波信号を入出力する配線２９との絶縁を確保するためには、導電性が低い材料を用いてもよい。この例では配線２９として同軸ケーブルを用いている。

また、延伸部１５は、第１端１１から第２端１３までＤ３方向に連続するよう設けられた貫通孔１９を備えていてもよい。この場合には、貫通孔１９内に配線２９を納めることで配線２９を延伸部１５の内部に通すことができる。これにより、配線２９を延伸部１５の外部に露出することなくプローブ２０まで電気的に接続することができる。

（アーム部１０の構成）
アーム部１０は延伸部１５のみで構成されていてもよいし、延伸部１５を固定するために必要な部位を備えていてもよい。例えば、第１端１１の側に配置された固定用のビスやマグネット等を備えていてもよい。また、第１端１１よりもＤ３方向の負側において、補強部１７を備えていてもよい。補強部１７のＤ３方向に直交する平面における形状は、第１端１１よりも大きくてもよいし、同等であってもよい。図７（ａ）に示すように、Ｄ３方向に平行な方向に延びる（Ｄ１方向に傾いていない）補強部１７としてもよい。これにより安定して延伸部１５を保持することができる。さらに、補強部の表面に電波吸収体を位置させてもよい。

また、補強部１７は、図７（ｂ）に示すように、Ｄ１方向の正側に位置する面は、延伸部１５の外側面を延長させた形状としてもよい。この場合には、補強部１７を仮想外側面１５ｂの内側に位置させることができる。

（プローブ２０）
プローブ２０は、プローブ本体２１と、配線２９を延伸部１５からプローブ本体２１までをつなぐプローブガイド２３とを備える。

プローブガイド２３は、配線２９を延伸部１９の傾斜方向と同様に傾斜させつつ保持するものであり、保持可能な強度を備えるものとする。このようなプローブガイド２３は、配線２９の一部にその機能を持たせてもよいし、配線２９の外部をカバーするような形状であってもよい。後者の場合には、プローブガイド２３は筒状体であってその内部に配線２９を通してもよい。また、溝を設け、その溝に配線２９を嵌合させて保持してもよい。

そしてプローブガイド２３の先端にプローブ本体２１を固定している。プローブガイド２３は、第２端１３の外形の内側において延伸部１５と接続されるように配置される。この例では、第１端１１の中心１１ｃと第２端１３の中心１３ｃとをつなぐ仮想線の延長線上にプローブガイド２３，プローブ本体２１が順に位置するようにしている。さらに、プローブガイド２３の外側面と延伸部１５の外側面とは段差なく連続的に接続されている。

プローブガイド２３は、プローブ本体２１の延伸方向に沿って配線２９を保持するための強度と、先細りする微細な形状を実現可能な加工性と、を備える材料からなる。また、配線２９と延伸部１５との電気的な絶縁性を確保するために絶縁性の材料を用いてもよい。このような材料として、具体的には、絶縁性樹脂材料や、アルミナ等の絶縁性無機材料等を用いることができる。

プローブ本体２１は、配線２９に電気的に接続されており、高周波信号の入出力を行なうものである。具体的には、信号が印加されるシグナルピンと基準電位が印加されるグランドピンを有するものとしてもよい。本例では、シグナルピンの両側にグランドピンを備える形状としてもよい。

このようなプローブ本体２１に不図示のアンテナを接触させることで、アンテナにおける高周波信号の送受信を可能とする。

なお、プローブガイド２３は、第２端１３のＤ３方向正側に位置する部分のみに位置するものではなく、配線２９の全領域において設けられていてもよい。

（プローブ保持装置１）
プローブ保持装置１は、上述の構成のアーム部１０，プローブ２０を備える。このことから、アンテナに接続されるプローブ本体２１の先端はＤ１方向の正側に向かっていることとなる。この例では、プローブ本体２１の先端がプローブ保持装置１の中で最もＤ１方向の正側に位置している。

ここで、プローブ保持装置１のアーム部１０に代えて、外形形状に工夫を施していない一般的なプローブ保持装置５０の例を図２に示す。図２において、プローブ保持装置５０のアーム部５１は、Ｄ１方向に直交する面に平面を有するブロック状となっている。

発明者は、プローブ保持装置５０においてプローブ５２に送信アンテナを接触させ、受信アンテナを送信アンテナを中心として一定間隔を保ちながら周回させて各方位におけるアンテナパターンを測定した。その結果、Ｄ３方向に直交する平面のうちＤ１方向の正側に位置する平面において多くの反射波が発生し、いわゆるマルチパスの信号が受信アンテナにて受信されることが判明した。なお、Ｄ１方向の負側に位置する平面ではＤ１方向の正側に比べるとそれほど多くの反射波は発生していなかった。

ここで、プローブ保持装置１に着目すると、延伸部１５の外側面１５ａをＤ１方向正側に向かうにつれて面積を減らした構成となっている。具体的には、Ｄ２方向に着目すると、拡幅部１１ｄ，１３ｄにより、外側面１５ａはＤ１方向の正方向に向かうにつれてＤ２方向に伸びる部分を少なくしている。これにより反射波を抑制することができる。また、Ｄ３方向に着目すると、プローブ本体２１に近い第２端１３では外形を小さくして反射面積を小さくしている。さらに、第１端１１では第２端１３に比べＤ１方向の負側に中心１１ｃを位置させることで、外側面１５ａの位置自体をＤ１方向正側から遠ざけている。以上より、Ｄ１方向正側において、外側面１５ａによる反射波を抑制することができる。

さらに、外側面１５ａは、角部（段差部）等を有さない連続的な形状となっていること
から不連続部における高周波信号の反射も抑制することができる。

以上より、プローブ保持装置１によれば、アンテナ特性を反射波の影響を抑制して精度よく測定することができる。

（変形例１）
上述の例では、プローブガイド２３の外側面と延伸部１５の外側面は段差なく連続的に接続されている場合を例に説明したがこの構成に限定されない。

図３は、プローブ保持装置１の変形例（プローブ保持装置１Ａ）の図を示している。図３（ａ）～図３（ｃ）はそれぞれ、図１（ａ）～図１（ｃ）に相当する。プローブ保持装置１Ａは、プローブ保持装置１とは、第１端１１および第２端１３の外形が異なる。プローブ装置１Ａにおいて第１端１１および第２端１３の外形は略菱形形状となっている。第１端１１および第２端１３の外形の中心（重心）は、菱形のため、各頂点を結ぶ対角線の交点となっている。

この場合であっても、Ｄ１方向の正側に向かうにつれてＤ２方向における幅は小さくなっていることから、反射波の影響を抑制することができる。

ここで、プローブ保持装置１Ａは、菱形の第２端１３の重心に重ねるように円筒形のプローブガイド２３が配置されているため、プローブガイド２３の外側面と延伸部１５の外側面１５ａとは不連続となっている。この場合には、第２端１３の外周における反射波の発生を抑制するために、図３（ａ），図３（ｃ）に示すように、Ｄ３方向に沿った断面で見たときに、プローブ本体２１の先端から第１端１１の外周（外形）を結ぶ線分Ｌ１，Ｌ２よりも内側に第２端１３の外周を位置させている。これにより、第２端１３の外周を内側に位置させることで外周の影響を小さくすることができる。

このように、第２端１３の外周を内側に位置させるためには、プローブガイド２３のＤ３方向における長さＬＧを調整すればよい。長さＬＧは、例えば、プローブ本体２１の先端が、図３（ｃ）に示すように延伸部１５の中心を通りＤ３方向に伸びる中心線と延伸部１５の外側面１５ａに沿った仮想線とが交差する点と同等がそれよりも正側に位置するように調整すればよい。

また、図３に示すアーム部１０は、長手方向（Ｄ３方向）に直交する面からみたときに、第１端１１の外形は、Ｄ１方向の長さがＤ１方向と直交する方向（Ｄ２方向）における長さよりも長くなっている。ここで、アーム部１０は、Ｄ３方向に細長く、かつＤ１方向に傾いている。そこで、アーム部１０を固定する第１端１１の形状をＤ１方向に長く伸びる形状とすることで、アーム部１０を安定して保持することができる。さらに、Ｄ２方向に幅の広い形状とすると、Ｄ２方向の幅が広くなる部分で高周波信号の反射光が発生する虞がある。このため、Ｄ２方向の幅をＤ１方向の幅よりも小さくすることで、反射光を抑制しつつアーム部１０を安定して保持することができる。

（変形例２）
上述の例では、延伸部１５の第１端１１，第２端１３の外形はＤ１方向およびＤ２方向において対称な形状としていたがその限りではない。第１端１１および第２端１３のＤ３方向に直交する面における外形は、円形や楕円形、菱形に限定されることはない。

例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、Ｄ１方向において非対称の形状であってもよい。図４（ａ），（ｂ）は第１端１１の断面形状を示している。

図１および図３に示すプローブ保持装置１，１ＡではＤ１方向の正側においてもＤ１方向，Ｄ２方向で形成される面方向に平坦な面を備えていない。また、延伸部１５の外側面１５ａは、Ｄ１方向負側先端に向かうにつれて面積を減らした構成となっている。このことから、Ｄ１方向の負側においても反射波の影響を抑制することができる構成となっている。

しかしながら、Ｄ１方向の正側に比べて、負側においては反射波の影響は少ない。このため、図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、Ｄ１方向の負側においては、Ｄ１方向，Ｄ２方向で形成される面方向に平坦な面を備えていてもよい。

また、図４（ｃ）に示すように、菱形からＤ１方向の正側と負側とで辺の長さを異ならせるように変形させた形状としてもよい。同様に、円形からＤ１方向の正側と負側とで曲率半径の異なる閉曲線となるように変形させた形状としてもよい。

（その他の変形例）
図５に示すように、Ｄ１方向に直交する面方向でみたときに（Ｄ３方向に沿った面でみたときに）、仮想外側面の内側であっても角部Ｅを備える場合には角部Ｅにおいて反射光が発生してしまいアンテナ特性を正確に測定できなくなる。従って、延伸部１５のＤ３方向における長さは３０λ以上とし、その範囲内において角部Ｅを備えないようにしてもよい。別の観点では、延伸部１５のＤ３方向における長さは、一般的な電波吸収体の厚さを無視できない長さ（例えば、電波吸収体の厚さの０．５～２倍の長さ；厚さ１１８ｍｍの電波吸収体の場合には５９ｍｍ～２３６ｍｍ）としてもよい。

また、第１端１１，第２端１３の外形は、偶数の角部を有する多角形状としてもよい。

さらに、アーム部１０を、円錐台や角錐台をＤ１方向の正側に傾けた形状を基本とし、傾けた底面とＤ３方向と直交する面との間の空間を埋めるような補強部１７を備える形状としてもよい（図７（ｂ）参照）。

（変形例：配線２９）
上述の例では、配線２９として同軸ケーブルを用いた例を説明したがこの限りではない。例えば、配線２９の少なくとも一部を導波管としてもよい。配線２９の他の例としては、導波管や、導波管と同軸ケーブルとの組み合わせ、導波管と伝送線路との組み合わせ等がある。導波管を用いる場合には、伝送する信号のロスを低減することができる。

導波管と同軸ケーブルとの組み合わせ，導波管と伝送線路との組み合わせのそれぞれは、その接続部において高周波信号の伝送方向が屈曲してもよいし、屈曲しなくてもよい。

図８に配線２９として、導波管２９ａと同軸線路２９ｂとを組み合わせて構成した例を示す。

ここで、図８において、導波管２９ａの信号伝送方向と、同軸線路２９ｂの信号伝送方向とは、その接続部近傍においてアーム部１０の長手方向に沿って一直線となっている。このような接続方法とすることで、接続部において配線２９の形状が大きくなることがない。アーム部１０は、第１端１１から第２端１３に向かうにつれて断面積が小さくなる先細りの形状であるが、この場合であっても、より第２端１３の近傍まで導波管２９ａを位置させることができる。その結果、損失の少ない配線２９を実現することができる。

また、図８に示す例では、延伸部１５の貫通孔１９には、その経路の大部分（例えば８５％以上）において導波管２９ａが位置しており、第２端１３に近い側において導波管２９ａと同軸線路２９ｂとが接続されている。このように、貫通孔１９の内部に導波管２９ａと他の線路との両方があってもよいし、導波管のみで構成してもよい。さらにこの例では、延伸部１５とは別体の導波管２９ａを配置させた場合を例に説明したが、貫通孔１９自体を導波管としてもよい。その場合には、貫通孔１９の形状および貫通孔１９の内壁面材質を伝送する信号のロスが少ないよう適宜設計してもよい。

さらに、補強部１７のＤ１方向負側の面において導波管２９ａを導出し、導波管２９ａを発振器等に接続してもよい。

（アンテナパターン測定装置）
図６に上述のプローブ保持装置１を用いたアンテナパターン測定装置１００の模式的な断面図を示す。図６に示すように、アンテナパターン測定装置１００は、ステージ１１０と、ステージ１１０上に配置された固定部１２０と、固定部１２０に固定されたプローブ保持装置１と、プローブ保持装置１のプローブ２０の先端に電気的に接続するよう固定された第１アンテナ１３０と、第１アンテナ１３０に対して相対位置を変化させることのできる可動部１４０と、可動部１４０に固定された第２アンテナ１５０と、を備える。

第１アンテナ１３０と第２アンテナ１５０とは、一方が送信アンテナで他方が受信アンテナとなっており、一方が発信した高周波信号を他方が受信する。この例では、第１アンテナ１３０を送信アンテナとして、第２アンテナ１５０を受信アンテナとしている。ここで、第１アンテナ１３０は動かないためアンテナとプローブとの接点を安定して実現することができる。このため、第１アンテナ１３０を送信アンテナとすることで、元となる高周波信号を安定して放射することができるので、アンテナパターンの測定精度が向上する。

第２アンテナ１５０は例えばホーンアンテナ等を用いることができる。そして、第２アンテナ１５０を、可動部１４０により第１アンテナ１３０を中心として軌跡Ｔ１に例示するように周回させることで、第１アンテナ１３０の放射特性を３６０°に近い角度で測定することができる。

ここで、第２アンテナ１５０は、第１アンテナ１３０から直接放射された高周波信号（直達波）のみを測定し、床やアンテナパターン測定装置１００に当たって反射されるマルチパスの高周波信号の影響を抑制することで、精度よくアンテナパターンを測定することができる。そこで、本開示のアンテナパターン測定装置１００によれば、アンテナパターン測定装置１００からの反射波自体の発生を抑制するために、ステージ１１０や固定部１２０には、その表面に電波吸収体を配置している。ただし、第１アンテナ１００に近いプローブ保持装置１をでは、一定の厚みを要する電波吸収体を表面に配置することはできない。そこで、プローブ保持装置１を用いることで、プローブ保持装置１の形状自体を反射光の発生を抑制した構成としている。

このようなアンテナパターン測定装置１００によれば、精度よくアンテナパターンを測定することができる。

図３に示す構成のプローブ測定装置１Ａ、図２に示す構成のプローブ測定装置の先に、６０ＧＨｚの高周波信号を放射する送信アンテナを設置した場合の放射軌跡をシミレーションした。実際の寸法はＤ３方向における長さは１４０ｍｍ，アーム部１０の中心を通る仮想線とＤ３方向とでなす角度（図３（ａ）の貫通孔１９とＤ３方向とでなす角度）を２０°，アーム部１０のＤ１方向負側の外周とＤ３方向とでなす角度を３０°である。

その結果、マルチパスの原因となる反射光が図2に示すプローブ測定装置のＤ１方向正
方向の面において多く発生することを確認した。具体的には－５０ｄＢ発生していることを確認した。

これに対して、プローブ測定装置１Ａは－１０ｄＢとなっており、マルチパスの原因となる反射光を問題ないレベルまで抑制できていることを確認した。

１：プローブ保持装置
１０：アーム部
１１：第１端
１３：第２端
１５：延伸部
２０：プローブ

Claims (7)

1. 第１端と第２端との間を長手方向として伸びる延伸部を含むアーム部と
   前記第２端から前記長手方向に伸びる、高周波信号を入出力するプローブと、を備え、
   前記延伸部の外側面は、前記第１端の外周と前記第２端の外周とを最短距離でつないで形成される仮想外側面と同一面に位置しており、
   前記長手方向と直交する断面から見たときに、
   前記第２端の外形は、前記第１端の外形よりも小さく、
   前記第２端の外形の重心は、前記第１端の外形の重心よりも第１方向の正側に位置しており、
   前記第２端および前記第１端の外形は共に、前記第１方向の最も正側に位置する部分から負側に向かうにつれて幅が大きくなる拡幅部を備えている、
   プローブ保持装置。
2. 前記長手方向に沿った断面において、前記プローブの先端と前記第１端の外周とを結ぶ線分よりも内側に前記第２端の外周が位置する、請求項１に記載のプローブ保持装置。
3. 前記長手方向に沿った断面において、前記延伸部の前記外側面は角部を備えない、請求項１または２に記載のプローブ保持装置。
4. 前記長手方向と直交する断面視において、前記第１端の外形は前記第１方向の長さが前記第１方向と直交する方向における長さよりも長い、請求項１乃至３のいずれかに記載のプローブ保持装置。
5. 前記長手方向と直交する断面視において、前記第１端の外形は円形、楕円形、もしくは多角形である、請求項１乃至４のいずれかに記載のプローブ保持装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のプローブ保持装置と、
   前記プローブに電気的に接続するよう固定された第１アンテナと、
   前記第１アンテナに対して相対位置を変化させることのできる可動部と、
   前記可動部に固定された、前記第１アンテナからの高周波信号を受信するか、前記第１アンテナに高周波信号を送信する第２アンテナと、を含むアンテナパターン測定装置。
7. 前記第１アンテナは送信アンテナであり、前記第２アンテナは受信アンテナであり、前記可動部は、前記第１アンテナを中心として回転可能な駆動部を備える、請求項６に記載のアンテナパターン測定装置。

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