KR101007395B1 - 위상 배열 안테나 보정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자파 상호간섭을 이용한 위상 배열 안테나 보정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 안테나 출력 신호의 크기와 위상에 따라 위상 배열 안테나를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 위상 배열 안테나 보정 장치에 있어서, 입력되는 신호의 전력 및 위상을 조절하는 하나 이상의 송수신 모듈과, 상기 하나 이상의 송수신 모듈과 복사소자를 연결하는 무선 주파수 커넥터와, 상기 하나 이상의 송수신 모듈로부터 출력된 신호를 공간상으로 복사하는 상기 복사소자와, 상기 무선 주파수 커넥터와 상기 복사 소자 사이에 위치하며, 안테나로 출력되는 신호를 검출하여 최적 출력신호 보정값을 결정한 후 상기 하나 이상의 송수신 모듈의 크기와 위상을 보정하고, 상기 무선 주파수 커넥터의 정상 유무를 확인하는 출력 신호 검출부를 포함한다.
위상 배열 안테나, 배열, phased array antenna, 커플러, 보정
Description
본 발명은 위상 배열 안테나 보정 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 전자파 상호간섭을 이용한 안테나 출력 신호의 크기와 위상에 따라 위상 배열 안테나를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고속 및 고용량으로 데이터 서비스를 제공하기 위해, 송/수신기에 하나의 안테나가 아니라 다수의 안테나가 구비되는 방안이 제공되고 있다. 이러한 다수의 안테나는 예를 들면, 스마트 안테나와 위상 배열 안테나 등이 있다. 여기서 스마트 안테나는 배열된 안테나들 각각의 위상을 제어하여 원하는 방향으로 특정 신호를 송수신하는 안테나를 말하며, 위상 배열 안테나는 배열 안테나의 각 안테나에 급전하는 위상을 전자적으로 변화시켜 방사 빔을 주사를 시키는 안테나를 말한다. 특히, 위상 배열 안테나를 포함하는 송신기는 위상 배열 안테나의 출력 신호의 크기와 위상을 이용하여 위상 배열 안테나의 크기와 위상을 보정한다.
도 1은 종래의 위상 배열 안테나의 출력단에 대한 블록 구성도이다.
도시된 바와 같이, 위상 배열 안테나의 출력단은 위상 변위기를 포함하는 송수신 모듈(101)과 복사 소자(105)와 송수신 모듈(101)과 복사 소자(105)를 연결하는 RF 커넥터(이하, 무선 주파수 커넥터라 칭함, 103)와 송수신 모듈(101)과 무선 주파수 커텍터(103) 사이에 위치하는 출력 신호 검출부(107)를 포함한다. 여기서 출력 신호 검출부(107)은 송수신 모듈(101)로부터 출력되는 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 검출하며, 검출된 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 이용하여 송수신 모듈(101)이 정상적으로 동작하는지 여부를 점검하고, 검출된 출력 신호를 이용하여 최적의 출력 신호 보정값을 결정한 송수신 모듈(101)의 크기와 위상을 보정한다. 좀 더 자세히 설명하면, 출력 신호 검출부(107)는 검출된 안테나 출력 신호를 이용하여, 정해진 크기와 위상이 출력되도록 송수신모듈(101)의 송수신 증폭기와 위상 변위기를 조절하여 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 보정한다.
그러나 송수신 모듈(101)의 안테나 출력 신호를 이용하여 위상 배열 안테나의 위상을 보정하는 방식은 무선 주파수 커넥터(103)의 특성이 고려되지 않은 안테나 출력 신호를 이용하는 방식이므로, 무선 주파수 커넥터(103)의 자체 불량이나 접속 불량 등에 의한 안테나 출력 신호 이상 여부는 알 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 무선 주파수 커넥터의 특성이 고려된 안테나 출력 신호를 이용하여 위상 배열 안테나의 크기와 위상을 보정하는 방법 및 장치를 제안한다.
상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 위상 배열 안테나 보정 장치에 있어서, 입력되는 신호의 전력 및 위상을 조절하는 하나 이상의 송수신 모듈과, 상기 하나 이상의 송수신 모듈과 복사소자를 연결하는 무선 주파수 커넥터와, 상기 하나 이상의 송수신 모듈로부터 출력된 신호를 공간상으로 복사하는 상기 복사소자와, 상기 무선 주파수 커넥터와 상기 복사 소자 사이에 위치하며, 안테나로 출력되는 신호를 검출하여 최적 출력신호 보정값을 결정한 후 상기 하나 이상의 송수신 모듈의 크기와 위상을 보정하고, 상기 무선 주파수 커넥터의 정상 유무를 확인하는 출력 신호 검출부를 포함한다.
또한, 상술한 바를 달성하기 위한 본 발명은 위상 배열 안테나 보정 방법에 있어서, 입력되는 신호의 전력 및 위상을 조절하는 과정과, 상기 전력 및 위상이 조절된 신호를 복사 소자로 출력하는 과정과, 상기 복사 소자로 출력되는 신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 이용하여 송수신 모듈의 크기와 위상을 보정하고, 무선 주파수 커넥터의 정상 유무를 확인하는 과정을 포함한다.
본 발명은 무선 주파수 커넥터의 특성이 고려된 안테나 출력 신호를 이용하 여 위상 배열 안테나의 크기와 위상을 보정하므로, 무선 주파수 커넥터의 자체 불량이나 접속 불량 등에 의한 안테나 출력 신호 이상 여부를 확인할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 위상 배열 안테나의 출력단에 대한 블록 구성도이다.
도시된 바와 같이, 위상 배열 안테나의 출력단은 위상 변위기를 포함하는 복수개의 송수신 모듈(201)과, 복수 개의 복사 소자(205)와 복수 개의 송수신 모듈(201)과, 복수 개의 복사 소자(205)를 연결하는 복수 개의 무선 주파수 커넥터(203)와, 복수 개의 무선 주파수 커넥터(203)와 복수 개의 복사 소자(205) 사이에 위치하는 출력 신호 검출부(207)를 포함한다.
여기서 송수신 모듈(201)은 입력되는 신호의 전력 및 위상을 적합하게 조절하여 출력하며, 무선 주파수 커넥터(203)는 송수신 모듈(201)과 복사 소자(205)를 연결하며, 복사 소자(205)는 무선 주파수 커넥터(203)로부터 출력된 신호를 공간 상으로 복사한다.
그리고 출력 신호 검출부(207)는 무선 주파수 커넥터(203)로부터 출력되는 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 검출하며, 검출된 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 이용하여 송수신 모듈(201)이 정상적으로 동작하는지 여부를 점검하고, 검출된 출력신호를 이용하여 최적의 출력 신호 보정값을 결정한 후, 송수신 모듈(201)의 크기와 위상을 보정한다. 그리고 출력 신호 검출부(207)는 무선 주파수 커넥터(203)와 복사 소자(205) 사이에 위치함으로써, 송수신 모듈(201)의 안테나 출력 신호를 이용하여 송수신 모듈(201)의 크기와 위상을 보정할 뿐만 아니라 무선 주파수 커넥터(203)의 정상 여부도 확인할 수 있다.
좀 더 자세히 설명하면, 출력 신호 검출부(207)는 검출된 안테나 출력 신호를 이용하여, 정해진 크기와 위상이 출력되도록 송수신모듈(201)의 송수신 증폭기와 위상 변위기를 조절하여 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 보정한다. 만약에 송수신 모듈(201)의 크기와 위상을 보정하였으나 여전히 검출된 안테나 출력 신호의 크기와 위상이 정해진 값과 다르다면, 무선 주파수 커넥터(203)의 자체불량이나 접속불량 등에 의한 출력 신호 이상으로 판단한다. 본 발명에서는 출력 신호 검출부(207)가 커플러(coupler)로 구현된 경우로 커플러와 복사 소자(205) 간의 커플링(coupling) 양을 조절하여 복사소자(205)로 입력되는 안테나 출력 신호의 크기를 검출한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 커플러와 복사 소자에 대한 구성도이다.
도시된 바와 같이, 커플러와 복사 소자(205)는 제1마이크로 스트립 기판(301)과 제2마이크로 스트립 기판(303)으로 구성되며, 상기 제 1 마이크로 스트립 기판(301)는 급전된 임의의 전력 및 위상에 상응하는 복사패턴의 형태로 공간상으로 에너지를 전파하는 복사 소자인 다이폴(dipole) 안테나를 포함하며, 제2마이크로 스트립 기판(303)은 제 1 마이크로 스트립 기판(301)에 인가되는 신호의 그라운드 기준을 형성하기 위한 그라운드 패턴(309)과 커플러에 해당하는 마이크로 스트립 슬롯(slot)(309, 311)을 포함한다. 또한, 상기 제2 마이크로 스트립 기판에는 슬롯이 도 3의 309, 311과 같이 형성되어 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 마이크로 스트립 기판은 각각 슬롯이 형성되어 있으며, 제1 마이크로 스트립 기판의 제1 마이크로 스트립 슬롯은 도 3의 305, 307과 같이 형성되어 있으며, 제2 마이크로 스트립 기판의 제2 마이크로 스트립 슬롯은 도 3의 309, 311과 같이 형성되어 있다. 이러한, 제1 및 제2 마이크로 스트립 기판의 각 슬롯의 급전 위치, 길이 및 폭을 변화시켜 원하는 커플링 양을 조절할 수 있다. 상기 커플링이라 함은 제1 마이크로 스트립 기판의 다이폴 안테나와 제1 및 제2 마이크로 스트립 기판의 슬롯 안테나 간의 상호간섭을 의미한다.
출력 신호 검출부(207)는 제1 마이크로 스트립 기판(301)의 다이폴 안테나(305, 307)와 제2 마이크로스트립 기판(303)의 슬롯 안테나(309, 311) 사이의 커플링 양을 검출하여 최적 출력 신호 보정값을 결정한 후, 정해진 크기와 위상이 출력되도록 송수신모듈(201)의 송수신 증폭기와 위상 변위기를 조절하여 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 보정한다. 특히, 출력 신호 검출부(207)는 마이크로 스트립 슬롯(309, 311)의 급전 위치 및 길이와 폭을 조절함으로써 커플링 양을 조절한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 복사소자 구조에 대한 시뮬레이션 모델링을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 단일 복사소자 구조는 상술한 도 3에서 급전된 임의의 전력 및 위상에 상응하는 복사패턴의 형태로 공간상으로 에너지를 전파하는 복사소자인 다이폴 안테나를 포함하는 제1 마이크로 스트립 기판과, 제 1 마이크로 스트립 기판에 인가되는 신호의 그라운드 기준을 형성하기 위한 그라운드 패턴과 커플러에 해당하는 마이크로 스트립 슬롯을 포함하는 제2 마이크로 스트립 기판을 모델링 한 것이다.
도 5a 내지 5j는 다음과 같은 표 1과 같이 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯(309, 311)의 길이를 조절하였을 때의 반사 손실 및 커플링 양 변화 및 복사 패턴을 나타내는 그래프이다.
| 슬롯 길이 | 반사 손실 (S11) | 커플링 양(S21) |
| 25 mm | ≤ -10 dB | -11 ~ -20 dB |
| 35 mm | ≤ -10 dB | -11.5 ~ -13 dB |
| 45 mm | ≤ -10 dB | -14.5 ~ -16 dB |
| 55 mm | ≤ -10 dB | -17.5 ~ -22 dB |
상기 표 1은 마이크로 스트립 슬롯의 길이 조절에 따른 반사 손실 및 커플링 양을 나타낸 것이다. 이때, 마이크로 스트립 슬롯의 폭은 1mm로 고정하고, 주파수는 2.82GHz 내지 3.2GHz로 제한한다.
도 5a는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내는 그래프이다. 도 5a에서 503 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 25 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내며, 505 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 35 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내며, 507 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 45 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내고, 509 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 55 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타낸다.
도 5b는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내는 그래프이다. 도 5b에서 513 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 25 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내며, 515 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 35 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내며, 517 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 45 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내고, 519 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 55 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타낸다.
도 5c, 5d는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 25 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내며, 도 5e, 5f는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 35 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내며, 도 5g, 5h는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 45 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내고, 도 5i, 도 5j는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 55 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타낸다.
도 6a 내지 6j는 다음과 같은 표 2와 같이 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯(309, 311)의 폭을 조절하였을 때의 반사 손실 및 커플링 양 변화 및 복사 패턴을 나태는 그래프이다.
| 슬롯 폭 | 반사 손실 (S11) | 커플링 양(S21) |
| 0.5 mm | ≤ -10 dB | -13.5 ~ -15.5 dB |
| 1.0 mm | ≤ -10 dB | -11.5 ~ -13 dB |
| 1.5 mm | ≤ -10 dB | -11 ~ -12.5 dB |
| 2.0 mm | ≤ -10 dB | -10.5 ~ -12.5 dB |
표 2은 마이크로 스트립 슬롯의 폭 조절에 따른 반사 손실 및 커플링 양을 나타낸 것이다. 이때, 마이크로 스트립 슬롯의 길이는 35 mm로 고정하고, 주파수는 2.82 GHz 내지 3.2 GHz로 제한한다.
도 6a는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내는 그래프이다. 도 6a에서 603 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 0.5 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내며, 605 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.0 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내며, 607 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.5 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타내고, 609 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 2.0 mm로 조절하였을 때의 반사 손실을 나타낸다.
그리고 도 6b는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내는 그래프이다. 도 6b에서 613 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 0.5 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내며, 615 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.0 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내며, 617 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.5 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타내고, 619 라인은 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 2.0 mm로 조절하였을 때의 커플링 양을 나타낸다.
그리고 도 6c, 6d는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 0.5 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내며, 도 6e, 6f는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.0 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내며, 도 6g, 6h는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 1.5 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타내고, 도 6i, 6j는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 2.0 mm로 조절하였을 때의 Y-Z plane 복사 패턴과 X-Z plane 복사 패턴을 각각 나타낸다.
상기 도 5a, 6b를 참조하여 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯의 길이와 폭을 변화시킴으로써 커플링 양을 조절할 수 있음을 확인할 수 있으며, 도 5c 내지 도 5j, 도 6c 내지 도 6j를 참조하여 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯의 길이와 폭을 변화시키더라도 복사소자의 복사패턴에는 영향이 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 위상을 보정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위상 배열 안테나 보정 방법은 송수신 모듈(201)로 신호가 입력되면, 입력된 신호의 전력 및 위상은 초기 설정된 보정값에 의해 조정되어 출력된다(S701). 그리고, 송수신 모듈(201)를 통해 출력된 신호는 복사소자(205)와 연결된 RF 커넥터(203)를 통해 안테나 출력 신호가 복사소자(205)로 급전된다(S703). 이때, 출력 신호 검출부(207)는 출력 신호 검출부(207)는 RF 커넥터(203)와 상기 복사소자(205) 사이에 위치하며, 안테나 출력 신호의 크기와 위상을 검출하여 최적 출력신호 보정값을 결정한 후, 송수신 모듈의 출력 신호의 크기와 위상을 보정한다(S705). 이와 같이, 본 발명은 RF 커넥터(203)의 특성을 고려한 송수신 모듈(201)의 출력신호의 양을 검출함으로써, 송수신 모듈(201)의 정상 동작 유무를 점검하여 보정할 뿐만 아니라 RF 커넥터(203)에 의한 출력신호 이상 여부도 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 위상 배열 안테나의 출력단에 대한 블록 구성도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 위상 배열 안테나의 출력단에 대한 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 커플러와 복사 소자에 대한 구성도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단일 복사 소자 구조에 대한 시뮬레이션 모델링을 나타낸 도면,
도 5a 내지 5j는 본 발명의 실시 예에 따른 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯의 길이를 조절하였을 때의 반사 손실 및 커플링 양 변화 및 복사 패턴을 나태는 그래프,
도 6a 내지 6j는 본 발명의 실시 예에 따른 커플러를 구성하는 마이크로 스트립 슬롯의 폭을 조절하였을 때의 반사 손실 및 커플링 양 변화 및 복사 패턴을 나태는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 위상을 보정하는 방법을 나타낸 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 위상을 보정하는 방법을 나타낸 순서도.
Claims (4)
- 위상 배열 안테나 보정 장치에 있어서,입력되는 신호의 전력 및 위상을 조절하는 하나 이상의 송수신 모듈과,상기 하나 이상의 송수신 모듈과 복사소자를 연결하는 무선 주파수 커넥터와,상기 하나 이상의 송수신 모듈로부터 출력된 신호를 공간상으로 복사하는 상기 복사소자와,상기 무선 주파수 커넥터와 상기 복사 소자 사이에 위치하며, 상기 무선 주파수 커넥터에서 출력되는 출력 신호의 크기와 위상을 검출하여 최적 출력신호 보정값을 결정하고, 상기 결정된 최적 출력신호 보정값을 이용하여 정해진 크기와 위상이 출력되도록 상기 하나 이상의 송수신 모듈의 송수신 증폭기와 위상 변위기를 조절하여 상기 출력 신호의 크기와 위상을 보정하고, 상기 무선 주파수 커넥터의 정상 유무를 확인하는 출력 신호 검출부를 포함하며,상기 복사 소자는 제1 마이크로 스트립 기판에 배치되며, 상기 출력 신호 검출부에 구성되는 커플러는 제2 마이크로 스트립 기판에 배치되며, 상기 제1 마이크로 스트립 기판과 상기 제2 마이크로 스트립 기판은 수직으로 형성되고, 각각 슬롯이 형성되어 있으며, 상기 형성된 각각의 슬롯의 길이 및 폭을 조절하여 커플링 양을 조절하는 위상 배열 안테나 보정 장치.
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101007395B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101638481B1 (ko) | 2015-01-09 | 2016-07-11 | 국방과학연구소 | 기움각을 갖는 배열 안테나의 간섭계 보정 방법 및 장치 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002171115A (ja) * | 2000-12-04 | 2002-06-14 | Nec Corp | フェーズドアレイアンテナ装置及びフェーズドアレイアンテナのビーム指向方向校正方法 |
-
2009
- 2009-10-09 KR KR1020090096376A patent/KR101007395B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002171115A (ja) * | 2000-12-04 | 2002-06-14 | Nec Corp | フェーズドアレイアンテナ装置及びフェーズドアレイアンテナのビーム指向方向校正方法 |
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|---|---|---|---|---|
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