KR101415847B1 - Amp 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 광대역 안테나 구현에 따른 크기 증가와 소형화 안테나를 추구하면서 발생되는 효율의 저하를 해소시킬 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 형성된 PCB 기판 상에 전기적으로 연결되도록 원반 형상으로 형성되는 안테나 부재를 포함하는 광대역 무지향성 안테나 장치이고, 상기 안테나 부재는 적어도 3개의 방사판이 각각 호를 형성하면서 부채살 형상으로 배열된 방사 소자; 상기 방사 소자의 테두리 영역을 따라 상기 방사 소자 상에 형성된 복수 개의 1차 소자; 상기 방사 소자 상에 상기 1차 소자의 내측 방향으로 서로 이격되도록 형성된 복수 개의 2차 소자; 및 상기 방사 소자에서 서로 인접하는 방사판 상에 서로 대칭되도록 CPS(Coplanar strip) 선로 형상으로 형성된 3차 소자;를 포함하며, 상기 방사 소자 상의 중앙 영역에 상기 PCB 기판과 전기적으로 연결되어 상기 안테나 부재에 수신되는 신호를 증폭하는 저잡음 파워 앰프가 일체로 형성되는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 개시한다.

Description

AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치{WIDEBAND OMNI DIRECTIONAL DTV ANNTENA DEVICE WITH LOW NOISE POWER AMPLIFIER}
본 발명의 일 실시예는 안테나와 수신단의 정합을 용이하게 하여 이동체에서도 DTV를 수신할 수 있는 고효율의 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치에 관한 것이다.
전 세계 공통 DTV 안테나 주파수 대역은 470~780MHz이며, 일반적으로 해당 국가별(지역별) 할당된 주파수 범위를 위주로 DTV 안테나를 제작하여 사용한다.
즉, 일부 제품을 제외하고는 470MHz~780MHz 전대역을 사용하기보다는 할당된 주파수 범위의 협대역을 사용하고 있다.
또한, DTV 주파수 전대역(470MHz~780MHz)을 사용하는 안테나도 일부 주파수에서는 반사손실의 특성이 악화되는 경향을 보이며 더불어 안테나의 크기가 상대적으로 증가하기 때문에, 취급하는데 어려움이 있다는 문제점이 있었다.
공개실용신안공보 실1999-0022260호 '무지향성 수신안테나' 공개특허공보 제10-2004-0021029호 '무선통신용 소형 무지향성 바이코니컬 안테나'
본 발명의 일 실시예는 광대역 안테나 구현에 따른 크기 증가와 소형화 안테나를 추구하면서 발생되는 효율의 저하를 해소시킬 수 있는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 PCB 기판 위에 광대역 안테나를 구현하고, 저잡음 파워 앰프를 일체화한 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 형성된 PCB 기판 상에 전기적으로 연결되도록 원반 형상으로 형성되는 안테나 부재를 포함하는 광대역 무지향성 안테나 장치이고, 상기 안테나 부재는 적어도 3개의 방사판이 각각 호를 형성하면서 부채살 형상으로 배열된 방사 소자; 상기 방사 소자의 테두리 영역을 따라 상기 방사 소자 상에 형성된 복수 개의 1차 소자; 상기 방사 소자 상에 상기 1차 소자의 내측 방향으로 서로 이격되도록 형성된 복수 개의 2차 소자; 및 상기 방사 소자에서 서로 인접하는 방사판 상에 서로 대칭되도록 CPS(Coplanar strip) 선로 형상으로 형성된 3차 소자;를 포함하며, 상기 방사 소자 상의 중앙 영역에 상기 PCB 기판과 전기적으로 연결되어 상기 안테나 부재에 수신되는 신호를 증폭하는 저잡음 파워 앰프가 일체로 형성될 수 있다.
상기 1차 소자는 상기 방사 소자의 둘레방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가질 수 있다.
상기 2차 소자는 상기 방사 소자의 중심에서 외주연 방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가질 수 있다.
상기 1차 소자 및 2차 소자는 각각 보우 타이(Bow-Tie) 형상으로 형성될 수 있다.
상기 방사 소자에서 각 호의 테두리 영역에는 소정 간격으로 반복되는 제1 굴곡부 및 제2 굴곡부가 형성되되, 상기 제2 굴곡부는 상기 제1 굴곡부보다 상기 방사 소자의 중앙 영역에 가깝도록 형성될 수 있다.
상기 제1 굴곡부 및 제2 굴곡부는 각각 호를 형성하면서 각 호가 3.75도 간격으로 형성되고, 3mm로 굴곡지도록 형성될 수 있다.
상기 CPS 선로는 상기 안테나 부재와 외부의 TV 수신단의 임피던스를 정합시킬 수 있다.
상기 방사 소자, 1차 소자 및 2차 소자는 각각의 주파수 대역에서 공진을 유도하여 상기 안테나 부재의 전체 주파수 대역을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치는 기존의 DTV 안테나의 반사손실을 개선하여 안테나의 효율을 개선하고, 고감도 저잡음 파워 앰프를 내장하여 DTV의 수신 감도를 향상시키며, 이동체에서도 DTV를 수신할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 PCB 기판을 사용하여 안테나의 무게를 줄여 경량화를 구현함과 더불어 안테나 특성을 광대역화하여 안테나와 TV 수신단의 정합을 용이하게 하고, 안테나 방사 소자를 전방향으로 배치에 무지향성을 구현함으로써, 안테나 전체의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 안테나를 PCB형으로 설계하고, 저잡음 파워 앰프를 안테나 PCB 중앙에 배치하여 안테나와 앰프의 일체화 설계를 도입함으로써, 안테나의 소형 경량화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 단면도다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 방사 소자, 1차 소자 및 2차 소자를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 2의 3차 소자를 확대하여 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 2의 방사소자의 공진 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 2의 방사소자, 1차 소자 및 2차 소자의 공진 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치의 전체 공진주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 나타내는 평면도이며, 도 3은 도 2의 방사 소자, 1차 소자 및 2차 소자를 확대하여 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 2의 3차 소자를 확대하여 나타내는 평면도이며, 도 5는 도 2의 방사소자의 공진 주파수 특성을 나타내는 그래프이고, 도 6은 도 2의 방사소자, 1차 소자 및 2차 소자의 공진 주파수 특성을 나타내는 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치의 전체 공진주파수 특성을 나타내는 그래프이다. 한편, 도 5 내지 도 7은 안테나 부재를 구성하는 구성 요소의 길이(Y축)와 이에 따른 공진 주파수 변화(X축)를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치는 유전체 기판(10) 및 안테나 부재(20)를 포함한다. 본 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치는 안테나의 광대역화와 초소형화를 복합적으로 구현함과 동시에 안테나의 기본 방사 특성을 전방위로 형성되도록 유전체 기판(10)의 단면에 형성된다.
상기 유전체 기판(10)은 평판형상을 가지고, 유전체 물질로 형성된다. 본 발명에서는 안테나를 구성하는 기판을 금속 도체로 형성하는 대신 유전체 기판(10)을 사용한다. 따라서, 본 발명에서는 유전체 기판(10)의 변화에 따른 주파수 이동에 대응하기 위하여 안테나의 사용 대역을 상대적으로 넓게 설정할 수 있다. 또한, 본 발명은 유전체 기판(10) 상에 형성된 안테나 부재(20)의 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)를 통하여 안테나의 소형화를 유도한다. 이러한 안테나의 소형화에 따른 낮은 주파수의 공진을 유도함과 동시에 다중 공진을 형성할 수 있다.
상기 안테나 부재(20)는 유전체 기판(10) 상에 형성된 PCB 기판(30) 상에 전기적으로 연결되도록 원반 형상으로 형성된다. 이러한 안테나 부재(20)는 PCB 기판(30)의 급전 단자(미도시)와 안테나 도선을 통하여 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 PCB 기판(30)의 급전 단자와 안테나 도선의 시작 부분은 안테나 부재(20)의 중앙 영역에 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 PCB 기판(30) 상에는 저잡음 파워 앰프(31)가 형성된다. 상기 저잡음 파워 앰프(31)는 안테나 부재(20)를 통하여 외부에서 수신된 신호를 증폭한다. 이러한 PCB 기판(30)에는 RF 스위치를 포함한 일반적인 안테나에서 요구되는 회로를 포함한다.
한편, 상기 안테나 부재(20)는 전방향성을 갖는 방사 패턴을 형성하기 위하여 도전성이 양호한 금속 재질로 형성된다.
상기 안테나 부재(20)는 방사 소자(210), 1차 소자(220), 2차 소자(230) 및 3차 소자(240)를 포함한다.
상기 방사 소자(210)는 기본적인 안테나의 전파를 방사하기 위한 소자로서, 적어도 3개의 방사판이 각각 호를 형성하면서 부채살 형상으로 배열되도록 형성된다.
상기 방사 소자(210) 상의 중앙 영역에는 PCB 기판(30)과 전기적으로 연결되어 안테나 부재(20)에 수신되는 신호를 증폭하는 저잡음 파워 앰프(31)가 일체로 형성된다.
상기 방사 소자(210)에서 각 호의 테두리 영역에는 소정 간격으로 반복되는 제1 굴곡부(211) 및 제2 굴곡부(212)가 형성된다. 이때, 상기 제2 굴곡부(212)는 제1 굴곡부(211)보다 방사 소자의 중앙 영역에 가깝도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 굴곡부(211) 및 제2 굴곡부(212)는 각각 호를 형성하면서 각 호가 3.75도 간격으로 형성되고, 3mm로 굴곡지도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 굴곡부(211)는 중심 각도가 53.7도에 반지름이 113.9mm의 호를 형성하면서 길이 111mm에 넓이 9mm로 설계될 수 있고, 제2 중심 각도 47.7도에 반지름 105.5mm의 호를 형성하면서 길이 81.1mm에 넓이 3mm로 설계될 수 있다. 이때, 상기 제1 굴곡부(211)와 제2 굴곡부(212)의 전체 길이는 206mm가 되도록 형성된다. 또한, 상기 제1 굴곡부(211) 및 제2 굴곡부(212)는 각 호를 3.75도씩 분할하여 깊이 3mm의 반복적인 굴곡을 첨가해서 안테나 방사 효율을 보완할 수 있다.
상기 1차 소자(220)는 광대역을 구현하는 소자로서, 복수 개로 구비되어, 방사 소자(210)의 테두리 영역을 따라 방사 소자(210) 상에 형성된다. 상기 1차 소자(220)는 방사 소자(210)의 둘레방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가진다. 본 발명에서는 1차 소자(220)가 미앤더 라인 구조를 가지도록 형성함으로써, 낮은 주파수에 해당하는 파장의 길이를 유지하면서도 공간적으로 할당되는 크기를 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 소자(220)는 중심 각도 47.7도에 반지름 93.97mm와 85.5mm를 선로 폭 및 간격을 5mm로 9등분하여 전체 길이가 674mm가 되도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 1차 소자(220)는 낮은 주파수 대역(400MHz)의 파장 750mm의 0.9배(0.9λ)로 400Mhz의 공진을 유도하며, 중간 주파수(650Mhz)의 파장 461.5mm의 약 1.5배(1.5λ)로 중간 주파수의 공진을 형성할 수 있다.
또한, 상기 방사 소자(210)와 1차 소자(220)는 그 길이를 880mm가 되도록 형성하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 400MHz의 파장인 750mm에 약 1.18배(1.18λ)로 낮은 주파수 대역의 공진 및 다중 공진 형성을 보완할 수 있다.
상기 2차 소자(230)는 광대역을 구현하는 소자로서, 복수 개로 구비되어, 방사 소자(210) 상에 1차 소자(220)의 내측 방향으로 서로 이격되도록 형성된다. 상기 2차 소자(230)는 방사 소자(210)의 중심에서 외주연 방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가진다. 본 발명에서는 2차 소자(230)가 미앤더 라인 구조를 가지도록 형성함으로써, 낮은 주파수에 해당하는 파장의 길이를 유지하면서도 공간적으로 할당되는 크기를 감소시킬 수 있다. 한편, 상기 2차 소자(230)는 주파수 470MHz 부분의 공진 특성을 개선할 수 있다.
예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 2차 소자(230)는 추가적으로 선로 폭 및 간격이 5mm가 되도록 유지하면서 전체 길이가 257mm로 높은 주파수 대역(900MHz)의 파장 333mm 의 0.8배(0.8λ)로 900MHz의 공진을 형성할 수 있다.
상기 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)는 각각 보우 타이(Bow-Tie) 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명에서는 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)를 각각 보우 타이(Bow-Tie) 형상으로 형성함으로써, 안테나의 전반적인 크기를 줄여 소형화를 이루면서 다중 공진을 유도할 수 있고, 이를 통하여 안테나의 광대역화를 구현할 수 있다. 다시 말해, 상기 방사 소자(210), 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)는 각각의 주파수 대역에서 공진을 유도하여 안테나 부재(20)의 전체 주파수 대역을 형성할 수 있다. 본 발명에서는 방사 소자(210), 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)의 구조를 통하여 안테나의 단일 공진 주파수를 다중 공진이 가능하도록 유도할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에서는 방사 소자(210), 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)의 각각의 길이를 합한 전체 길이가 1165mm가 되도록 형성하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 400MHz 파장의 1.5배(1.5λ), 650MHz 파장의 2.5배(2.5λ), 그리고 900MHz 파장의 3.5배(3.5λ)가 되도록 함으로써, 보다 효과적인 다중 공진을 형성할 수 있고, 작은 크기의 안테나에서 광대역을 유도할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서는 방사 소자(210), 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)의 구조에 의한 다중 공진으로 발생될 수 있는 반사 손실의 특성을 개선하기 위하여 안테나의 입력단(즉, 방사 소자(210)의 중앙 영역)에 3차 소자(240)를 형성하여 임피던스를 정합시킬 수 있다.
상기 3차 소자(240)는 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)를 통한 광대역 구현에 따른 정합 소자로서, 방사 소자(210)에서 서로 인접하는 방사판 상에 서로 대칭되도록 CPS(Coplanar strip) 선로(241) 형상으로 형성된다. 상기 CPS 선로(241)는 안테나 부재(20)와 외부의 TV 수신단(미도시)의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 즉, 상기 3차 소자(240)는 전반적인 안테나의 반사 손실 특성을 개선시킬 수 있고, 더불어 상대적으로 높은 주파수 영역의 특성을 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 3차 소자(240)는 도 4에 도시된 바와 같이, 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)에 의하여 안테나가 소형화되면서 고유입력 임피던스가 약 150~200 Ohm이 되는 경우에, 이에 따른 급전선의 임피던스를 약 180 Ohm이 되도록 선로폭을 3.8mm, 선로 간격을 3.75mm인 CPS 선로(241)로 구현될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 안테나가 광대역을 형성하면서 입력 임피던스가 임의의 한 값이 아닌 일정값의 범위 내에(150~200 Ohm) 분포하기 때문에, 이를 해결하기 위하여 안테나 중심에서 반지름 43.4mm와 75.1mm 사이에 길이 31.7mm이고 폭이 24.6도를 형성하는 3차 소자(240)를 구현하여 안테나의 정합 특성을 개선시킬 수 있다.
상기와 같이 형성된 안테나 장치의 전체 크기는 반지름 120.1mm의 작은 원반형에서 모두 구현 가능하고, 중심부에는 저잡음 증폭기를 설치하여 안테나 장치에 수신되는 신호를 증폭시킬 수 있다.
본 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치의 동작을 보다 구체적으로 설명하자면, 안테나의 입력단으로 인가된 신호는 기본적으로 방사 소자(210)에서 전파가 방사되고, 1차 소자(220) 및 2차 소자(230)를 통하여 주파수의 다중 공진을 형성하여 광대역 특성을 우선 유도하며, 3차 소자(240)를 통하여 최종적으로 안테나의 반사 손실을 개선시킬 수 있다. 이와 같이 본 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치는, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 소자의 장점을 효과적으로 유지하면서 다중 공진을 가능하게 하고 각각의 단점인 크기 증가와 효율 감소를 해결한 고효율 광대역 안테나의 특성을 구현할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 유전체 기판 20: 안테나 부재
30: PCB 기판 31: 저잡음 파워 앰프
210: 방사 소자 211: 제1 굴곡부
212: 제2 굴곡부 220: 1차 소자
230: 2차 소자 240: 3차 소자
241: CPS 선로

Claims (8)

  1. 유전체 기판과, 상기 유전체 기판 상에 형성된 PCB 기판 상에 전기적으로 연결되도록 원반 형상으로 형성되는 안테나 부재를 포함하는 광대역 무지향성 안테나 장치이고,
    상기 안테나 부재는,
    적어도 3개의 방사판이 각각 호를 형성하면서 부채살 형상으로 배열된 방사 소자;
    상기 방사 소자의 테두리 영역을 따라 상기 방사 소자 상에 형성된 복수 개의 1차 소자;
    상기 방사 소자 상에 상기 1차 소자의 내측 방향으로 서로 이격되도록 형성된 복수 개의 2차 소자; 및
    상기 방사 소자에서 서로 인접하는 방사판 상에 서로 대칭되도록 CPS(Coplanar strip) 선로 형상으로 형성된 3차 소자;를 포함하며,
    상기 방사 소자 상의 중앙 영역에 상기 PCB 기판과 전기적으로 연결되어 상기 안테나 부재에 수신되는 신호를 증폭하는 저잡음 파워 앰프가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 소자는 상기 방사 소자의 둘레방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 소자는 상기 방사 소자의 중심에서 외주연 방향으로 반복적으로 굴곡지도록 형성된 미앤더 라인(Meander Line) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 소자 및 2차 소자는 각각 보우 타이(Bow-Tie) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사 소자에서 각 호의 테두리 영역에는 일정 간격으로 반복되는 제1 굴곡부 및 제2 굴곡부가 형성되되, 상기 제2 굴곡부는 상기 제1 굴곡부보다 상기 방사 소자의 중앙 영역에 가깝도록 형성되는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 굴곡부 및 제2 굴곡부는 각각 호를 형성하면서 각 호가 3.75도 간격으로 형성되고, 3mm로 굴곡지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 CPS 선로는 상기 안테나 부재와 외부의 TV 수신단의 임피던스를 정합시키는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사 소자, 1차 소자 및 2차 소자는 각각의 주파수 대역에서 공진을 유도하여 상기 안테나 부재의 전체 주파수 대역을 형성하는 것을 특징으로 하는 AMP 내장형 광대역 무지향성 안테나 장치.
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KR20100048432A (ko) * 2008-10-31 2010-05-11 충남대학교산학협력단 코니컬 방사패턴을 갖는 ｃ 형상의 미앤더 라인 ｒｆｉｄ 태그 안테나
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