KR101607420B1 - 이중 반사기 안테나의 부 반사기 - Google Patents

이중 반사기 안테나의 부 반사기 Download PDF

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Abstract

이중 반사기 안테나의 부 반사기는 내부 볼록 표면을 포함하는 제 1 말단, 도파관의 말단에 결합되기 적합한 제 2 말단, 및 제1 말단 및 제2 말단 사이로 확장된 본체를 포함한다. 본체는 도파관으로 관통하는 부분 및 도파관 외부 부분을 갖는 제1 유전체 부분, 및 부 반사기의 제1 말단과 인접하고 그 직경은 제1 유전체 부분의 도파관 외부 부분보다 큰 제1 원통 부분, 및 제1 유전체 부분으로 관통하는 원뿔 부분에 의해 확장되는, 제1 원통 부분에 인접한 제2 원통 부분을 포함하는 제2 금속 부분을 포함한다. 제1 원통 부분은 주 반사기에 대향하도록 부 반사기의 축과 90°미만의 각도를 형성하는 평평한 링 형상의 표면을 특징으로 한다.

Description

이중 반사기 안테나의 부 반사기{SUBREFLECTOR OF A DUAL-REFLECTOR ANTENNA}
본 출원은 2012년 1월 31일에 출원된 프랑스 특허 출원 No. 12,50,895에 기초하는데, 그 개시된 내용은 참조에 의해 본 명세서에 그 전문이 포함되며, 본원에서는 그의 우선권을 주장한다.
본 발명은 이중 안테나 반사기, 특히 모바일 통신 네트워크에 일반적으로 사용되는 마이크로파 안테나에 관한 것이다.
보다 컴팩트한 시스템을 구축하기 위하여, 이중 반사기 안테나들, 특히 카세그레인(Cassegrain) 유형의 안테나들을 이용한다. 이중 반사기는, 가장 통상적으로는 포물선인, 주 오목 반사기(primary concave reflector), 및 주 반사기와 동일한 회전 축 상의 포물선 초점 근방에 배치된, 훨씬 작은 직경의 부 볼록 반사기(secondary convex reflector)를 포함한다. 도파관(waveguide)을 포함하는 공급장치(feed device)가, 부 반사기에 대향하며 안테나 대칭축을 따라 위치한다. 이 안테나들은, 0.25 이하의 낮은 F/D 비율을 갖는 "딥 디쉬(deep dish)" 안테나들로 불린다. 이 보고서에서, F는 반사기의 초점 거리(반사기의 정점(apex)과 초점 사이의 거리)이며, D는 반사기의 직경이다.
이 안테나들은 높은 스필오버 손실(spillover loss)들을 나타내고 안테나의 전후비(front to back ratio)를 감소시킨다. 오버플로우 손실들은, RF 웨이브들을 통해 환경 오염을 초래하고 표준들에 의해 정의된 레벨들로 제한되어야 한다. 하나의 통상적인 솔루션은, 그 직경이 주 반사기의 직경과 가깝고 적당한 높이인, RF 방사선 흡수층으로 내부가 코팅된 실린더 형상의 슈라우드(shroud)를 주 반사기 주변에 부착하는 것이다. 비싼 흡수성 슈라우드의 사용은 스필오버 효과를 상쇄하기 위해 필요하다.
또한, 23GHz 미만의 낮은 주파수에 대해, 주 반사기의 높은 직경은 부 로브(secondary lobe)들의 레벨들을 증가시킨다(마스킹 효과).
본 발명의 목적은, FCC 및 ETSI 표준들의 규격들을 충족시키도록 개선된 방사 패턴(radiation pattern)을 갖는 이중 반사기 안테나를 제안하는 것이다.
특히, 제안된 안테나는 작은 사이드 로브들 및 높은 전후비를 나타낸다.
본 발명의 다른 목적은, 고가의 흡수성 슈라우드를 제거하는 것이다.
본 발명의 대상은, 이중 반사기 안테나의 부 반사기로서, 이중 반사기 안테나는
- 내부 볼록 표면을 포함하는 제 1 말단(extremity)
- 도파관의 말단에 결합되기 적합한 제 2 말단
- 제1 말단과 제2 말단 사이로 확장하며
- 도파관으로 관통하는 부분 및 도파관 외부 부분을 갖는 제1 유전체 부분, 및
- 제2 금속 부분으로서
- 부 반사기의 제1 말단과 인접하고, 그 직경은 제1 유전체 부분의 도파관 외부 부분보다 큰 제1 원통 부분
- 제1 유전체 부분으로 관통하는 원뿔 부분에 의해 확장되는, 제1 원통 부분에 인접한 제2 원통 부분
- 주 반사기에 대향하도록 부 반사기의 축과 90°미만의 각도를 형성하고, 제1 원통 부분으로 지지되는, 평평한 링 형상의 표면
을 포함하는 제2 금속 부분
을 포함하는 본체
를 포함한다.
제1 양태에 따르면, 그 90°미만의 각도는 바람직하게는 70°와 85°사이이다.
제2 양태에 따르면, 평평한 링 형상의 표면은 제1 원통 부분의 범위를 정하는 외부 원통 벽 내에 배치된다.
제3 양태에 따르면, 평평한 링 형상의 표면은 제1 원통 부분 및 제2 원통 부분의 접합부에 위치한다.
제4 양태에 따르면, 평평한 링 형상의 표면은 제2 원통 부분의 단면의 평면으로부터 떨어져 90°각도를 형성한다.
제5 양태에 따르면, 제1 유전체 부분은 적어도 하나의 링 형상 그루브(groove)를 지지한다. 바람직하게는, 제1 유전체 부분은 적어도 두 개의 링 형상 그루브들을 포함한다. 더 바람직하게는, 제1 유전체 부분의 도파관 외부 부분은 적어도 하나의 링 형상 그루브를 포함한다.
제6 양태에 따르면, 제2 금속 부분의 각 원통 부분들은, 적어도 하나의 링 형상 그루브를 포함한다. 바람직하게는, 제2 금속 부분의 각 원통 부분들은, 적어도 두 개의 링 형상 그루브들을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 링 형상 그루브는 λ/5와 λ/4 사이의 깊이를 가지고, λ는 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장이다.
다른 실시예에 따르면, 링 형상 그루브는 λ보다 훨씬 작은 폭을 가지고, λ는 안테나 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장이다.
또 다른 실시예에 따르면, 링 형상 그루브는 평평한 바닥의 U 형상 프로파일(flat-bottomed U-shape profile)을 갖는다.
제7 양태에 따르면, 제1 유전체 부분의 도파관 외부 부분은 2λ 이하의 직경을 갖고, λ는 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장이다.
제8 양태에 따르면, 제1 유전체 부분에 속하는 도파관 외부 부분은, 안테나 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장(λ) 정도의 길이를 갖는다.
제9 양태에 따르면, 제2 금속 부분은 고체 금속으로 구성된다.
주된 아이디어는, 디자인을 용이하게 하고, 유전체 재료 부분의 비용을 절감하기 위해 두 부분으로 부 반사기를 구성하는 것이다. 예를 들어, "Rexolite"와 같은 플라스틱 재료의 유전체 재료로 구성되는 부분은 크기가 작고, 특수한 프로파일을 가진다. 이 유전체 부분은 방사 도파관(radiating waveguide)과 금속형 부 반사기를 연결한다. 유전체 부분이 부 반사기의 일부일뿐 아니라 유전체 부분의 가장자리에 일부 그루브들을 추가하는 것은 안테나의 방사 패턴을 상당히 향상시키므로, 이 유전체 부분의 디자인은 본 발명의 중요한 측면이다.
본 발명의 한가지 장점은, 슈라우드 없는 컴팩트한 고성능 안테나를 제공한다는 것이다. 또한, 이 안테나는 특히 낮은 주파수들에 대해 낮은 가격의 공급장치를 가진다. 이는 공급 장치들의 치수들은 파장에 비례하기 때문이다. 이 장치들의 부피들은 낮은 주파수들에서 더 커진다. 특히, 통상적으로 유전체 재료로 구성되는 부 반사기의 직경은 크고, 안테나를 비싸게 만든다. 현재 상황에서, 유전체 부분은, 여전히 파장에 따르더라도, 작은 부피를 가지기 때문에 덜 비싸다. 고체 금속으로 구성되는 부분은 알루미늄으로, 유전체 재료보다 훨씬 저렴한 재료이다.
본 발명은, 모든 안테나의 능동 전자장치(active electronics)를 포함하고 무선 링크를 생성하도록 서빙하는 라디오 박스(radio box)들과의 마이크로파 중계(microwave link)들을 위해 사용되는 안테나에 적용된다.
본 발명의 다른 특성들 및 장점들은, 다음의 한 실시예의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이고, 그 설명은 제한적이지 않는 예시의 방법으로, 그리고 첨부된 도면으로 자연스럽게 주어진다.
- 도 1은 공지된 이중 반사기 안테나의 단면을 도식적으로 도시한다.
- 도 2는 부 반사기의 일 실시예의 단면을 도시한다.
- 도 3은 부 반사기의 일 실시예의 후면 사시도를 도시한다.
- 도 4는 도 2 및 도 3의 부 반사기의 부분의 상세도를 도시한다.
- 도 5는 포물선 축과 비교하여 측정된 반사 각도에 따른 15GHz 주파수 대역에서의 주 반사기의 방사 패턴을 도시한다.
- 도 6은 송수신 각도에 따른 안테나의 수평면에서 15GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 도시한다.
- 도 7은 주파수에 따른 15GHz 주파수 대역에서의 반사 손실들을 도시한다.
이들 도면 각각에서 동일한 요소들은 동일한 참조 번호들을 가진다.
도 1은, 주 반사기(2) 및 부 반사기(3)을 포함하는, 낮은 초점 거리 및 딥-디쉬 반사기를 가지는 공지된 종류의 안테나(1)를 도시한다. 안테나(1)는, 예를 들어 알루미늄으로 구성된 것과 같은, 중공형 금속 튜브(hollow metal tube)일 수 있는 도파관(4)에 의해 공급된다. 반사기들(2,3)은 레이돔(radome)(5)에 의해 보호된다. 부 반사기(3)는, 큰 반경의 하나의 열린 말단(7)과 도파관(4)의 접합을 만드는 낮은 반경의 제1 말단(6)을 포함하고, RF 신호들을 반사하는 볼록 내부 표면(8)은 양단(6,7)을 연결하는 외부 표면(9)과 만난다. 부 반사기(3)의 외부 표면(9)은 주 반사기(2)에 대향하는 면이다. 내부 표면(8)과 외부 표면(9)은 단일 회전 축 주위를 회전하는 표면들이다. 유전체(10)는, 내부 표면(8)과 외부 표면(9)에 의해 제한되면서 제1 및 제2 말단들(6,7) 사이로 확장한다. 유전체 본체(10)의 재료의 일부(11)는, 도파관(4)과 부 반사기(3) 사이의 무선 전환 및 기계적인 안정을 보장하기 위하여, 도파관(4)으로 관통하도록 확장한다.
도파관(4)은, 수신기를 향해 메인 빔(12)을 형성하면서 주 반사기(2)를 향해 반사되는 입사 방사선(incident radiation)을 부 반사기(3)의 방향으로 방출한다. 그러나, 입사 방사선의 일부는, 여러 방향으로 나뉘어서(in a divergent direction) 다시 전송되고 오버플로우 손실(13)들을 야기한다. 방사선의 다른 부분은, 주 반사기(2)에 의해 반사되지만, 이 반사된 방사선은 주 반사기(2)에 그것을 다시 보내는 부 반사기(3)에 의해 마스크된다. 그러면 그것은 주 반사기(2)에 의해 반사되고 다시 여러 방향으로 나뉘어서 전송되는데, 마스킹 효과(14)에 기인한 손실을 야기한다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 부 반사기(20)는 제1 말단(21), 및 도파관의 말단(23)에 그것을 결합시키는 것이 적합한 제2 말단(22)을 포함한다. 볼록 내부 표면(24)이 반사기(20)의 축(X-X')인 회전축을 갖는 제1 말단(21)에 만들어진다. 본체(25)는 제1 말단(21)과 제2 말단(22) 사이로 확장한다. 그 본체(25)는 두 부분으로 구성된다: 도파관(23)에 적어도 부분적으로 삽입되고 부 반사기(20)와 도파관(23) 사이에 링크를 제공하는, 유전체 재료로 구성된 제1 부분(26), 및 반사 표면(28)을 가지면서 제1 유전체 부분(26)을 확장하는, 제2 금속 부분(27).
거의 원뿔 형인 제1 유전체 부분(26)은, 큰 직경(D)을 갖고, 그 직경은 제2 금속 부분(27)의 직경 보다는 작다. 종래 공지된 솔루션과 비교하여, 이 경우에 약 25% 미만의 적은 부피를 가지는 제1 유전체 부분(26) 덕분에 유전체 재료의 비용의 상당한 감소가 달성된다. 사용되는 유전체 재료는, 높은 비용에도 불구하고 낮고 안정적인 유전율(dielectric constant)때문에 선택되는 "Rexolite"이다. 도파관(23) 내부에 있는 제1 유전체 부분(26)의 일부(29)는, 종래의 디자인이고 도파관(23) 내부의 안내 모드와 도파관(23) 외부의 신호 사이의 신호 전환을 향상시키는 것을 가능하게 만든다. 도파관(23) 외부의 제1 유전체 부분(26)의 일부(30)는 2λ의 최대 직경(D)(따라서 λ는, 안테나의 작동 대역의 중심 주파수의 파장이다)과 약 λ의 길이(L)를 가진다. 일반적으로 원뿔 형인 제1 유전체 부분(26)의 일부(30)의 외부 표면은, 방사 패턴에 의한 보다 나은 성능과 향상된 리턴 손실을 달성하기 위해, 3개의 그루브들(31)을 포함한다.
원뿔의 아래 부분인, 도파관(23) 맞은편의 제1 유전체 부분(26)의 말단은, 부 반사기(20)의 제2 금속 부분(27)에 부착되어 있다. 제2 부분(27)은 예를 들어, 알루미늄 같은 고체 금속으로 구성된다. 제1 유전체 부분(26)의, 도파관(23) 맞은편의 표면(32a)은, 부 반사기(20)의 반사 표면(28)의 일부(32b)와 접촉하고, 그것은 동일한 형상이다. 부 반사기(20)의 반사 표면(28)의 일부(32b)의 프로파일은 다항 방정식에 의해 최적화되어있다. 부 반사기(20)의 반사 표면(28)의 목적은, 최소의 오버플로우 손실들로 도파관(23)으로부터의 모든 전력을 주 반사기에 집중하는 것이다.
부 반사기(20)의 제2 금속 부분(27)은, 제1 유전체 부분(26)으로 관통하는 원뿔형 부분(35)에서 끝나는 두 개의 인접한 원통형 부분들(33,34)을 포함하는 형상을 가진다. 부 반사기(20)의 제1 말단(21)에 인접한 큰 직경의 제1 원통 부분(33)에서, 적어도 하나의 그루브(36)가 원통의 표면에 만들어져 있다. 작은 직경의 제2 원통 부분(34)에서, 적어도 하나의 그루브(37)가 원통의 표면에 만들어져 있다. 현재 상황에서, 원통 부분들(33,34) 각각은, 반사기(20)의 X-X' 축을 중심으로한 링 형상 및 평평한 바닥의 U자형 프로파일을 갖는 2개의 그루브들(36,37)을 특징으로 한다. 그루브들(36,37)의 깊이(P)는 λ/5 와 λ/4 사이이고, 그 폭은 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장(λ)과 비교하여 매우 작다.
작은 직경의 제1 원통 부분(33)은, 작은 직경의 제2 원통 부분(34)과의 접합부 부근에서, 주 반사기를 대향하는 평평한 링 형상의 표면(38)을 특징으로 한다. 이 평평한 링(38)은, 도 4에 보다 상세히 도시된 바와 같이 제1 원통 부분(33)의 경계를 이루는 외부 원통 벽 내에 배치된다. 평평한 링(38)은, 90°떨어져 부 반사기(20)의 X-X' 축과 β각도를 형성하는 평평한 표면을 갖는다. 이 β 각도는 바람직하게는 90°미만이고, 70°와 85°사이도 여전히 바람직하다. 평평한 링(38)은 또한 제2 원통 부분(34)의 단면의 평면으로부터 떨어져 90°각도를 형성한다. 이 각도는, 포물선형 주 반사기(40)의 중심(39)을 향해 신호를 반사시키도록 계산된다. 주 반사기쪽으로 향하게 되는 그 평면 링(38)의 존재는, 방사선이 포물선의 가장자리들 쪽으로 향하게 됨으로써 오버플로우 손실(13)들을 야기하는 것을 막기 위해 필수적이다. 또한 주 반사기(40)의 중앙에, 바람직하지 않은 방사선의 그 부분을 캡처하기 위한 흡수성 재료, 또는 바람직하지 않은 방사선을 트랩하기 위한 기하적으로 적절한 수단을 가질 수 있으며, 또는 바람직하지 않은 방사선을 주 방사선 빔에 신속히 되돌려 보낼 수 있는 수단이 배치될 수도 있다.
도 5에 도시된 안테나의 주 반사기의 방사선 패턴에서 도시된 바와 같이, 설명된 형상들 및 그들의 치수들은, 매우 높은 수준의 무선 성능을 달성하는 것을 가능하게 한다. 도 5의 그래프(50)에서, 15GHz 주파수 대역 내 dB 단위의 방사선의 강도(I)는 y축에 주어지고, 디그리(degrees) 단위의 반사 각도(θ)는 x축에 주어진다. 반사 각도(θ)는 포물선의 축(θ=0°)과 비교되며 측정된다. -θ 및 +θ 값들은 양쪽에서 오버플로우 손실 구역(51)들의 범위를 정하며, 이 두 값들 사이에 포물선 주 반사기의 축을 중심으로 한 마스킹 효과 구역(52)이 있다. 오버플로우 손실 영역(42)들은 100°이상의 반사 각도에 대응한다. 현재의 상황에서, 그 오버플로우 손실들은, 주 반사기(53)의 가장자리들에서 약 -12dB정도로 낮다는 것이 관측된다.
곡선(50)에 의해 도시된 주 반사기의 방사선 패턴은 우수하다: 부 반사기의 표면은 혼자 조명되어서 오버플로우 손실(51)들을 상당히 감소시키고, 주 반사기 중심의 낮은 필드값(54)은 마스킹 효과(52)를 감소시키는 것을 가능하게 한다. 마스킹 효과는, 파(wave)들이 주 반사기에 반사된 후에 부 반사기로 돌아갈 때 발생한다(도 1 참조). 최종 결과는, 높은 이득, 이차적인 로브들에 의한 낮은 강도, 및 안테나 가장자리의 낮은 필드 레벨이다. 이 마지막 포인트는, 흡수성 슈라우드를 가질 필요없이 ETSI의 클래스 3 사양을 만족하는 안테나와 낮은 리턴 손실 값을 얻을 수 있게 한다. 결과적으로, 안테나는 저렴하고 더 컴팩트하다.
도 6에서, 그래프(60)는 수평면에서 주 반사기의 방사 패턴을 도시한다. 15GHz 주파수 대역 내 dB 단위의 방사선(R)의 강도(I)는 y축으로 주어지고, 디그리 단위의 송수신 각도(α)는 x축으로 주어진다. 참조 그래프(61)는, 사이드 로브들에 대응하는 영역(62)들 및 표준 프로파일(ETSI)을 나타낸다. 방사 패턴의 값들은, ETSI 클래스 3 사양에 의해 허용되는 최대값들 내에서 유지된다.
도 7은, 송신되거나 수신된 파의 주파수에 기초하는, 15GHz 주파수 대역 내의 부 반사기의 리턴 손실을 도시한다. dB 단위의 파라미터의 강도[S]는 y축으로 주어지고, GHz 단위의 주파수(ν)는 x축으로 주어진다. -35dB 이하의 리턴 손실이 대부분의 곡선(70)에서 관찰된다. 그러므로, 낮은 리턴 손실 값은 주파수 대역의 큰 부분에서 관찰된다.
당연히, 본 발명은, 상술된 실시예들에 제한되지 않으며, 오히려 당업자들이 발명의 사상으로부터 벗어남 없이 많은 변형들을 이용가능하게 하도록 한다. 특히, 부 반사기의 금속과 유전체 부분들을 구성하기 위해 여기에 설명된 것들 이외의 다른 재료들을 사용하는 것이 가능하다.

Claims (14)

  1. 이중 반사기 안테나의 부 반사기로서,
    내부 볼록 표면을 포함하는 제1 말단(extremity);
    도파관의 말단에 결합되도록 구성된 제 2 말단;
    상기 제1 말단과 상기 제2 말단 사이로 확장하는 본체 - 상기 본체는, 상기 도파관으로 관통하는 부분과 상기 도파관 외부의 부분을 갖는 제1 유전체 부분, 및 상기 부 반사기의 상기 제1 말단과 인접하고 그 직경은 상기 제1 유전체 부분의 상기 도파관 외부의 부분보다 큰 제1 원통 부분을 포함하는 제2 부분을 포함함 -
    를 포함하며,
    상기 제2 부분은 금속이고
    상기 제1 유전체 부분으로 관통하는 원뿔 부분에 의해 확장되고, 상기 제1 원통 부분에 인접한 제2 원통 부분, 및
    주 반사기에 대향하도록 상기 부 반사기의 축(X-X')과 90°미만의 각도를 형성하고, 상기 제1 원통 부분에 의해 지지되는 평평한 링 형상의 표면
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각도는 70°와 85°사이인 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평평한 링 형상의 표면은, 상기 제1 원통 부분의 범위를 정하는 외부 원통 벽 내에 배치되는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평평한 링 형상의 표면은, 상기 제1 원통 부분과 상기 제2 원통 부분의 접합부에 위치하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평평한 링 형상의 표면은, 상기 제2 원통 부분의 단면의 평면으로부터 떨어져 90°각도를 형성하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체 부분은 적어도 하나의 링 형상 그루브를 특징으로 하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 부분의 상기 원통 부분들의 각각은, 적어도 하나의 링 형상 그루브를 특징으로 하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 부분의 상기 원통 부분들의 각각은, 적어도 두개의 링 형상 그루브들을 포함하는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 링 형상 그루브는 λ/5와 λ/4 사이의 깊이를 가지고, λ는 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장인 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 링 형상 그루브는 λ보다 작은 폭을 가지고, λ는 안테나 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장인 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 링 형상 그루브는 평평한 바닥의 U 형상 프로파일을 갖는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체 부분의 상기 도파관 외부의 부분은, 2λ 이상의 직경을 갖고, λ는 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장인 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  13. 제1항 또는 제12항에 있어서, 상기 제1 유전체 부분의 상기 도파관 외부의 부분은, 안테나의 작동 주파수 대역의 중심 주파수의 파장 정도의 길이를 갖는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 부분은 고체 금속으로 구성되는 이중 반사기 안테나의 부 반사기.
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