JP7660720B2 - アンテナおよび通信モジュール - Google Patents

Description

開示の実施形態は、アンテナおよび通信モジュールに関する。

従来、基板上に複数の給電素子と複数の無給電素子とが並んで配置されるアレイアンテナが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－１２１４０６号公報

本開示のアンテナは、基板と、複数の給電素子と、複数の無給電素子と、を備える。基板は、誘電体で構成される。複数の給電素子は、前記基板の表面に沿って行列状に並んで配置される。複数の無給電素子は、複数の前記給電素子で構成される給電素子群の周囲を囲むように並んで配置される。また、ステアリング方向に沿って隣接する前記無給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチは、前記ステアリング方向に沿って隣接する前記給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチよりも狭い。

図１は、実施形態に係るアレイアンテナの構成の一例を示す正面図である。 図２は、実施形態に係る給電素子の構成の一例を示す断面図である。 図３は、実施形態に係る給電素子の構成の一例を示す正面図である。 図４は、実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。 図５は、実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。 図６は、実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。 図７は、実施形態および参考例のアレイアンテナの－６０（°）方向および＋６０（°）方向のビームステアリング特性を示す図である。 図８は、アレイアンテナのピッチ比率を変更した場合のＥ面方向の利得の推移を示す図である。 図９は、無給電素子のサイズを変更した場合のビームステアリング特性を示す図である。 図１０は、実施形態の別の実施形態に係るアレイアンテナの構成の一例を示す正面図である。 図１１は、実施形態の別の実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。 図１２は、実施形態の別の実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。 図１３は、実施形態の別の実施形態および参考例のアレイアンテナのＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するアンテナおよび通信モジュールの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。

また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。

従来、基板上に複数の給電素子と複数の無給電素子とが並んで配置されるアレイアンテナが開示されている。しかしながら、上記の従来技術では、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向（たとえば、±６０（°）方向）において、放射パターンが崩れる場合があった。

たとえば、ＰＡＡＭ（Phased Array Antenna Module）などにおいて、アンテナと制御回路などとが同じ基板に配置される場合に、アレイアンテナのサイズよりもグランド層のサイズが大きくなると、放射パターンが大きく崩れる場合があった。

そこで、アレイアンテナにおいて広角なビームステアリングを可能とする技術の実現が期待されている。

＜実施形態＞
まず、実施形態に係るアレイアンテナ１の構成および特性について、図１～図９を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るアレイアンテナ１の構成の一例を示す正面図である。アレイアンテナ１は、アンテナの一例である。

図１に示すように、実施形態に係るアレイアンテナ１は、基板２と、複数の給電素子３と、複数の無給電素子４とを備える。

なお、本開示の添付図面では、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を規定し、Ｚ軸方向を基板２の厚み方向、Ｘ軸方向をアレイアンテナ１のＥ面方向、Ｙ軸方向をアレイアンテナ１のＨ面方向とする。

基板２は、誘電体で構成され、たとえば平板形状を有する。基板２は、たとえば、酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ムライト質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体などのセラミック材料で構成されてもよく、有機材料で構成されてもよい。

かかる基板２には、表面２ａに沿って複数の給電素子３が並んで配置され、かかる複数の給電素子３によって１つの給電素子群３Ａが構成される。たとえば、基板２の表面２ａに沿って８個×８個の給電素子３が行列状に並んで配置される。なお、本開示において、アレイアンテナ１に設けられる給電素子３の数や配置は図１の例に限られない。

図２は、実施形態に係る給電素子３の構成の一例を示す断面図であり、図３は、実施形態に係る給電素子３の構成の一例を示す正面図である。図２などに示すように、実施形態に係る給電素子３は、基板２の表面２ａおよび内部に複数の金属層を配置して構成されるパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）である。

給電素子３は、基板２の表面２ａと平行に配置される金属層として、給電層１１と、グランド層１２と、給電パッチ層１３と、無給電パッチ層１４とを備える。また、給電素子３は、基板２の表面２ａに対して垂直に配置されるビア導体として、給電ビア２１と、短絡ビア２２とを備える。

これらの金属層およびビア導体は、銅、銀、パラジウム、金、白金タングステン、モリブデンもしくはマンガンなどの金属材料、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料もしくは混合材料などによって構成される。

給電層１１は、上述の各金属層のうち、基板２の表面２ａからもっとも離れて配置される。給電層１１は、図示しない制御ＩＣと電気的に接続される。

かかる制御ＩＣは、送信対象の電波に対応する電気信号として、たとえば、変調された電気信号を、給電層１１および給電ビア２１などを介して給電パッチ層１３に出力する。また、制御ＩＣは、給電素子３によって受信された電波に対応する電気信号を、給電パッチ層１３から給電ビア２１および給電層１１などを介して収集する。

グランド層１２は、基板２の内部において、給電層１１よりも表面２ａ側に配置される。また、グランド層１２は、図示しない接地電位に接続される。

給電パッチ層１３は、基板２の内部において、グランド層１２よりも表面２ａ側に配置される。給電パッチ層１３は、給電ビア２１を介して給電層１１に電気的に接続され、上述の制御ＩＣから電気信号が給電される。

給電パッチ層１３は、たとえば図３に示すように、送受信される電波の周波数などに応じた辺の長さを有する正方形状である。なお、本開示において、給電パッチ層１３は、正方形状に限られず、さまざまな形状であってもよい。

無給電パッチ層１４は、基板２の表面２ａに配置される。無給電パッチ層１４は、たとえば図３に示すように、正方形状であり、給電パッチ層１３と概ね同じ大きさおよび同じ形状である。また、無給電パッチ層１４は、平面視で給電パッチ層１３と重なるように配置される。

給電ビア２１は、給電層１１と給電パッチ層１３との間を電気的に接続する。なお、給電ビア２１とグランド層１２との間には基板２を構成する誘電体が配置されることから、給電ビア２１とグランド層１２とは互いに電気的に絶縁されている。

また、実施形態に係る給電素子３では、図３に示すように、１つの給電パッチ層１３に２つの給電ビア２１（以下、給電ビア２１Ａ、２１Ｂとも呼称する。）が接続される。

また、給電ビア２１は、たとえば給電素子３における入力インピーダンス（反射特性）の要求から、給電パッチ層１３の中心から離れた位置に接続され、直交２方向の偏波特性に対応できるように９０（°）異なる位置にある。たとえば、給電ビア２１Ａは、給電パッチ層１３の中心から－Ｙ方向に離れた位置に接続され、給電ビア２１Ｂは、給電パッチ層１３の中心から－Ｘ方向に離れた位置に接続される。

短絡ビア２２は、給電パッチ層１３とグランド層１２との間を電気的に接続する。また、実施形態に係る給電素子３では、図３に示すように、１つの給電パッチ層１３に２つの短絡ビア２２（以下、短絡ビア２２Ａ、２２Ｂとも呼称する。）が接続される。

また、短絡ビア２２は、たとえば、給電パッチ層１３の中心から離れ、かつ給電ビア２１よりも給電パッチ層１３の中心に近い位置に接続される。たとえば、短絡ビア２２Ａは、給電パッチ層１３の中心から＋Ｙ方向に離れた位置に接続され、短絡ビア２２Ｂは、給電パッチ層１３の中心から＋Ｘ方向に離れた位置に接続される。

図１の説明に戻る。複数の無給電素子４は、複数の給電素子３で構成される給電素子群３Ａの周囲を囲むように並んで配置される。たとえば、複数の無給電素子４は、給電素子群３Ａの周囲を２重に囲む配置でもよい。

また、無給電素子４は、行列状に並ぶ複数の給電素子３に対して行または列が揃う配置でもよい。さらに、互いに隣接する無給電素子４同士も、行または列が揃う配置でもよい。

無給電素子４は、給電層１１から給電されない素子である。かかる無給電素子４の構成は、たとえば、図２および図３に示した給電素子３の構成から、給電パッチ層１３、給電ビア２１および短絡ビア２２が除かれた構成である。これにより、無給電素子４は無給電素子として機能する。

ここで、実施形態では、図１に示すように、ステアリング方向に沿って隣接する無給電素子４同士のステアリング方向のピッチが、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチよりも狭い。

具体的には、実施形態では、Ｅ面方向（Ｘ軸方向）に沿って隣接する無給電素子４同士のＥ面方向のピッチＰＥ２が、Ｅ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＥ面方向のピッチＰＥ１よりも狭い。

同様に、実施形態では、Ｈ面方向（Ｙ軸方向）に沿って隣接する無給電素子４同士のＨ面方向のピッチＰＨ２が、Ｈ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＨ面方向のピッチＰＨ１よりも狭い。

これにより、隣接する無給電素子４同士のピッチＰＥ２、ＰＨ２と、隣接する給電素子３同士のピッチＰＥ１、ＰＨ１とがそれぞれ等しい場合と比べて、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向における放射パターンの崩れを低減することができる。

図４～図６は、実施形態および参考例のアレイアンテナ１のＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。なお、本開示において、参考例のアレイアンテナ１とは、図１などに示した実施形態に係るアレイアンテナ１において、隣接する無給電素子４同士のピッチＰＥ２、ＰＨ２と、隣接する給電素子３同士のピッチＰＥ１、ＰＨ１とがそれぞれ等しいアレイアンテナである。

また、本開示では、実施形態および参考例のアレイアンテナ１が、複数の給電素子３および複数の無給電素子４が配置される領域よりも面積の広いグランド層１２を有する。具体的には、本開示では、グランド層１２の１辺の長さが、給電素子群３Ａの１辺の長さのおおよそ２倍である。なお、図４～図６に示す結果は、給電ビア２１Ａ（図３参照）におけるＥ面ステアリングに相当する。

また、図４では周波数が２６．５（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示し、図５では周波数が２８（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示し、図６では周波数が２９．５（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示す。

図４～図６に示すように、実施形態に係るアレイアンテナ１は、参考例と比べて、正面方向から大きく傾いた方向（ここでは－６０（°）方向および＋６０（°）方向）における放射パターンの崩れが低減され、かかる方向における利得が向上していることが分かる。

このように、実施形態では、グランド層１２の面積がアレイアンテナ１よりも広い場合に顕著に発生する放射パターンの崩れを、ピッチＰＥ２、ＰＨ２を狭くすることで低減することができる。これは、ピッチＰＥ２、ＰＨ２を狭くすることで、グランド層１２に対するシールド効果を高めることができるためと推測される。

したがって、実施形態によれば、アレイアンテナ１において広角なビームステアリングが可能になる。

なお、上記の実施形態では、複数の給電素子３および複数の無給電素子４が配置される領域よりもグランド層１２の面積が広い場合について示したが、本開示はかかる例に限られない。

たとえば、本開示では、複数の給電素子３および複数の無給電素子４が配置される領域とグランド層１２との面積が略等しくてもよいし、複数の給電素子３および複数の無給電素子４が配置される領域よりもグランド層１２の面積が狭くてもよい。

図７は、実施形態および参考例のアレイアンテナ１の－６０（°）方向および＋６０（°）方向のビームステアリング特性を示す図である。図７に示すように、実施形態に係るアレイアンテナ１は、参考例と比べて、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向におけるセカンドローブを小さくすることができる。

したがって、実施形態によれば、干渉によるノイズを低減できるため、アレイアンテナ１の通信品質を向上させることができる。

図８は、アレイアンテナ１のピッチ比率を変更した場合のＥ面方向の利得の推移を示す図である。なお、本開示において、「ピッチ比率」とは、給電素子３同士のピッチＰＥ１（またはピッチＰＨ１）に対する無給電素子４同士のピッチＰＥ２（またはピッチＰＨ２）の比率のことである。

図８に示すように、Ｅ面方向においては、ピッチ比率を１００（％）以上とすることで、２９．５（ＧＨｚ）における－６０（°）方向での利得が大きく低下する。

また、図８に示すように、Ｅ面方向においては、ピッチ比率を６０（％）以下とすることで、２６．５（ＧＨｚ）および２８（ＧＨｚ）における－６０（°）方向での利得が大きく低下する。

すなわち、実施形態では、ステアリング方向に沿って隣接する無給電素子４同士のステアリング方向のピッチが、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチの７０（％）～９０（％）であってもよい。

これにより、実施形態では、広帯域においてアレイアンテナ１のビームステアリング特性を向上させることができる。なお、上述した図４～図６の例は、ピッチ比率が８０（％）である場合の結果について示している。

図９は、無給電素子４のサイズを変更した場合のビームステアリング特性を示す図である。なお、図９の例では、給電素子３のサイズが２．５７（ｍｍ）角である場合における、アレイアンテナ１の－６０（°）方向、正面方向および＋６０（°）方向のＨ面方向２６．５（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示している。

図９に示すように、無給電素子４を給電素子３よりも大きくすることで、－６０（°）方向および＋６０（°）方向の利得を向上させることができる。したがって、実施形態によれば、アレイアンテナ１においてさらに広角なビームステアリングが可能になる。なお、上述した図４～図６の例は、給電素子３と無給電素子４とが同じ大きさである場合の結果について示している。

また、実施形態では、図１に示すように、複数の無給電素子４が、給電素子群３Ａの周囲を２重に囲んでもよい。また、複数の無給電素子４が給電素子群３Ａの周囲を３重以上に囲んだ配置でもよい。この場合、グランド層１２に対するシールド効果の点およびアレイアンテナ１の面積の増加を抑えるという点から、２重に囲んだ構成がよい。

つまり、実施形態では、複数の無給電素子４によって給電素子群３Ａの周囲を２重に囲むことで、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向における放射パターンの崩れを低減することができるとともに、アレイアンテナ１の面積を小さくすることができる。

また、実施形態では、図１に示すように、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３と無給電素子４とのステアリング方向のピッチが、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチよりも狭くてもよい。

具体的には、実施形態では、Ｅ面方向に沿って隣接する給電素子３と無給電素子４とのＥ面方向のピッチＰＥ３が、Ｅ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＥ面方向のピッチＰＥ１よりも狭くてもよい。

同様に、実施形態では、Ｈ面方向に沿って隣接する給電素子３と無給電素子４とのＨ面方向のピッチＰＨ３が、Ｈ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＨ面方向のピッチＰＨ１よりも狭くてもよい。

これにより、グランド層１２に対するシールド効果をさらに高めることができるため、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向における放射パターンの崩れをさらに低減することができる。したがって、実施形態によれば、アレイアンテナ１においてさらに広角なビームステアリングが可能になる。

なお、本開示では、Ｅ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＥ面方向のピッチＰＥ１と、Ｈ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＨ面方向のピッチＰＨ１とが等しくてもよいし、異なっていてもよい。

＜別の実施形態＞
つづいて、実施形態の別の実施形態に係るアレイアンテナ１について、図１０～図１３を参照しながら説明する。図１０は、実施形態の別の実施形態に係るアレイアンテナ１の構成の一例を示す正面図である。図１０に示すように、別の実施形態に係るアレイアンテナ１は、無給電素子４の配置が上述の実施形態と異なる。

具体的には、別の実施形態では、給電素子群３Ａの周囲を囲むように配置される複数の無給電素子４が、複数の給電素子３に対して千鳥状に配置される。すなわち、別の実施形態では、行列状に並ぶ複数の給電素子３に対して、行または列をずらすように無給電素子４が配置される。

そして、別の実施形態では、上述の実施形態と同様に、ステアリング方向に沿って隣接する無給電素子４同士のステアリング方向のピッチが、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチよりも狭い。

具体的には、別の実施形態では、Ｅ面方向（Ｘ軸方向）に沿って隣接する無給電素子４同士のＥ面方向のピッチＰＥ２が、Ｅ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＥ面方向のピッチＰＥ１よりも狭い。

同様に、別の実施形態では、Ｈ面方向（Ｙ軸方向）に沿って隣接する無給電素子４同士のＨ面方向のピッチＰＨ２が、Ｈ面方向に沿って隣接する給電素子３同士のＨ面方向のピッチＰＨ１よりも狭い。

これにより、別の実施形態では、上述の実施形態と同様に、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向における放射パターンの崩れを低減することができる。以下にその結果の詳細について説明する。

図１１～図１３は、実施形態の別の実施形態および参考例のアレイアンテナ１のＥ面におけるビームステアリング特性を示す図である。なお、図１１～図１３に示す結果は、給電ビア２１Ａ（図３参照）におけるＥ面ステアリングに相当する。

また、図１１では周波数が２６．５（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示し、図１２では周波数が２８（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示し、図１３では周波数が２９．５（ＧＨｚ）のビームステアリング特性を示す。

図１１～図１３に示すように、別の実施形態に係るアレイアンテナ１は、参考例と比べて、正面方向から大きく傾いた方向（ここでは－６０（°）方向および＋６０（°）方向）における放射パターンの崩れがさらに低減され、かかる方向における利得がさらに向上していることが分かる。

このように、別の実施形態では、グランド層１２の面積がアレイアンテナ１よりも広い場合に顕著に発生する放射パターンの崩れを、ピッチＰＥ２、ＰＨ２を狭くすることで効果的に低減することができる。したがって、別の実施形態によれば、アレイアンテナ１においてさらに広角なビームステアリングが可能になる。

上記したアレイアンテナ１は、たとえば、ＲＦ素子との組合せにより通信モジュールとなる。そのため、この通信モジュールについても、広角なビームステアリングが可能となる。

実施形態に係るアレイアンテナ１は、基板２と、複数の給電素子３と、複数の無給電素子４と、を備える。基板２は、誘電体で構成される。複数の給電素子３は、基板２の表面２ａに沿って行列状に並んで配置される。複数の無給電素子４は、複数の給電素子３で構成される給電素子群３Ａの周囲を囲むように並んで配置される。また、ステアリング方向に沿って隣接する無給電素子４同士のステアリング方向のピッチＰＥ２、ＰＨ２は、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチＰＥ１、ＰＨ１よりも狭い。これにより、アレイアンテナ１において広角なビームステアリングが可能になる。

また、実施形態に係るアレイアンテナ１において、ステアリング方向に沿って隣接する無給電素子４同士のステアリング方向のピッチＰＥ２、ＰＨ２は、ステアリング方向に沿って隣接する給電素子３同士のステアリング方向のピッチＰＥ１、ＰＨ１の７０（％）～９０（％）である。これにより、広帯域においてアレイアンテナ１のビームステアリング特性を向上させることができる。

また、実施形態に係るアレイアンテナ１において、複数の無給電素子４は、給電素子群３Ａの周囲を２重に囲む。これにより、アンテナの正面方向から大きく傾いた方向における放射パターンの崩れを低減することができるとともに、アレイアンテナ１の面積を小さくすることができる。

また、実施形態に係るアレイアンテナ１において、複数の無給電素子４は、複数の給電素子３に対して千鳥状に配置される。これにより、アレイアンテナ１においてさらに広角なビームステアリングが可能になる。

また、実施形態に係るアレイアンテナ１において、無給電素子４は、給電素子３よりも大きい。これにより、アレイアンテナ１においてさらに広角なビームステアリングが可能になる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。たとえば、上記の実施形態では、給電パッチ層１３と無給電パッチ層１４とが積層して配置される給電素子３および無給電素子４が用いられる例について示したが、本開示はかかる例に限られず、さまざまな構成を有する給電素子３および無給電素子４が用いられてもよい。

また、上記の実施形態では、給電素子３にグランド層１２と給電パッチ層１３とを接続する短絡ビア２２が設けられる例について示したが、本開示はかかる例に限られず、かかる短絡ビア２２が給電素子３に設けられなくてもよい。

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ アレイアンテナ（アンテナの一例）
２ 基板
２ａ 表面
３ 給電素子
３Ａ 給電素子群
４ 無給電素子
ＰＥ１～ＰＥ３、ＰＨ１～ＰＨ３ ピッチ

Claims (6)

1. 誘電体で構成される基板と、
   前記基板の表面に沿って行列状に並んで配置される複数の給電素子と、
   複数の前記給電素子で構成される給電素子群の周囲を囲むように並んで配置される複数の無給電素子と、
   を備え、
   ステアリング方向に沿って隣接する前記無給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチは、前記ステアリング方向に沿って隣接する前記給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチよりも狭く、
   前記ステアリング方向に沿って隣接する前記無給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチは、前記ステアリング方向に沿って隣接する前記給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチの７０（％）～８０（％）である
   周波数が２６．５（ＧＨｚ）～２９．５（ＧＨｚ）の範囲で用いられるアンテナ。
2. 誘電体で構成される基板と、
   前記基板の表面に沿って行列状に並んで配置される複数の給電素子と、
   複数の前記給電素子で構成される給電素子群の周囲を囲むように並んで配置される複数の無給電素子と、
   を備え、
   ステアリング方向に沿って隣接する前記無給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチは、前記ステアリング方向に沿って隣接する前記給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチよりも狭く、
   前記ステアリング方向に沿って隣接する前記無給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチは、前記ステアリング方向に沿って隣接する前記給電素子同士の前記ステアリング方向のピッチの７０（％）～９０（％）である
   周波数が２６．５（ＧＨｚ）～２８（ＧＨｚ）の範囲で用いられるアンテナ。
3. 複数の前記無給電素子は、前記給電素子群の周囲を２重に囲む
   請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 複数の前記無給電素子は、複数の前記給電素子に対して千鳥状に配置される
   請求項１または２に記載のアンテナ。
5. 前記無給電素子は、前記給電素子よりも大きい
   請求項１または２に記載のアンテナ。
6. 請求項１または２に記載のアンテナと、
   ＲＦ素子と、
   を備える通信モジュール。

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