KR102479377B1 - 통신 시스템의 송수신 신호 격리도 향상을 위한 안테나 시스템 - Google Patents

통신 시스템의 송수신 신호 격리도 향상을 위한 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동일대역 전이중(In-band Full-Duplex: IFD) 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IFD 안테나의 패치 안테나에 대향하는 대향면을 제외한 송신 및 수신 급전선 주변으로 일정 간격으로 배치되는 다수의 비아홀(Via-hole)을 형성하여, 송수신 신호의 격리도를 높여 자기간섭신호를 최소화하는 동일대역 전이중 안테나에 관한 것이다.

Description

통신 시스템의 송수신 신호 격리도 향상을 위한 안테나 시스템{Antenna Systems for Isolation Improvement of Transmitting and Receiving Signals in Communication Systems }
본 발명은 동일 대역 전이중(In-band Full-Duplex: IFD) 안테나의 송수신 신호의 격리도를 향상시키기 위한 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IFD 안테나의 패치 안테나에 대향하는 대향면을 제외한 송신 및 수신 급전선 주변에 일정 간격으로 배치되는 다수의 비아홀(Via-hole)을 형성하여, 송수신 신호의 격리도를 높여 자기간섭신호를 최소화하는 동일 대역 전이중 안테나에 관한 것이다.
최근, 스마트폰, 태블릿 등과 같은 고성능 모바일 디바이스의 등장과 함께 모바일 사용자는 매년 꾸준히 증가하여 포화상태에 달하였고, 광대역 가입자 수도 급증하여 70%~80%에 달하고 있다.
이러한 모바일 디바이스의 증가는 모바일 데이터 트래픽의 폭증을 유발하였다. 따라서 무선 통신은 제한된 주파수 자원 내에서 고효율의 데이터를 전송하기 위한 방향으로 진화하고 있다.
현재 무선통신시스템은 시간/주파수 자원을 낭비하고, 이동형 소형 셀 간 멀티 홉 중계가 어려우며, 은닉장치문제 등을 해결하기 위해 별도의 오버헤드를 필요로 하는 반이중(Half Duplex) 방식의 상술한 문제점들을 해결하기 위해 동일 대역 전이중(In-band Full Duplex: IFD) 방식을 적용하고 있다.
IFD 방식은 동일 대역에서 동시에 송수신이 가능하고, HD 방식의 대비 효율성을 향상시킬 수 있으나, 수신기로 유입되는 유효 수신신호보다 매우 강한 자기간섭신호에 영향을 받는다는 문제점이 있다.
상기 자기간섭신호를 완벽하게 제거한다면 IFD 방식은 이론적으로 HD 대비 최대 2배의 링크 용량 증대를 이룰 수 있으며, 자원의 낭비 없이 이동형 소형 셀 간 멀티 홉 중계가 가능해진다. 또한, 수신하면서 송신할 수 있어 숨어 있는 장치의 송신을 방지하므로 은닉장치 문제를 해결하기 위한 오버헤드를 필요로 하지 않는다.
즉, IFD 방식의 근본적인 문제는 송신신호를 송신하면 동시에 상기 송신신호가 수신기로 유입되어 자기간섭신호로서 수신신호에 영향을 준다는 것이다.
일반적으로 송신기에서 유입되는 자기간섭신호는 주 신호, 믹서와 증폭기에 의해 왜곡되는 고조파 신호, 증폭기와 국부발진기 등의 잡음으로 인한 송신기 잡음으로 구성된다.
따라서 이러한 자기간섭신호를 막기 위해 자기간섭제거(Self-Interference Cancellation: SIC) 기술이 필요하다.
이러한 SIC 기술로는 송신 안테나와 수신 안테나를 일정 거리 이상 이격시켜 구성하는 2-안테나 구조, 1개의 송신 안테나와 그 사이에 구성되는 수신안테나로 구성하는 3-안테나 구조, 지향성 안테나를 이용하는 지향성 안테나 기법, 2개의 안테나 사이에 RF 흡수차폐 등을 이용하는 RF 흡수차폐 및 편파 안테나 기법 등이 적용되고 있다.
안테나 이격/배치 기법은 구현은 용이하나 큰 면적을 차지하는 단점이 있고, 지향성 안테나 기법은 직접 경로로 유입되는 자기간섭신호를 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있으나, 반사가 많은 환경에서 반사 경로의 자기간섭신호 제거 효과가 떨어지며, 배열 안테나를 사용하는 경우 자기간섭신호로 인해 안테나 소자의 가중치에 오차가 유발되는 문제점이 있다.
또한, RF 흡수차폐 및 편파 안테나 기법은 상용 소자를 이용할 수 있고, 편파의 특성을 이용하여 송수신 신호를 효과적으로 분리할 수 있는 효과가 있으나, 반사가 많은 환경에서 자기간섭 제거 이득이 떨어지는 문제점이 있으며, RF 흡수의 효과를 극대화하기 위해선 안테나 간 물리적 이격이 필요한 문제점이 있었다.
상술한 바와 같이 다소의 문제점은 있으나 IFD 방식에서 자기간섭신호를 제거하기 위해 둘 이상의 안테나를 적용하는 방식들이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 1개의 안테나를 사용하여 자기간섭신호를 제거하여 송수신 신호를 분리할 수 있는 방식은 개발되지 않고 있다.
도 1은 일반적인 송수신 급전선을 갖는 안테나의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 일반적인 2층 기판 구조의 송수신 급전선을 갖는 안테나 구조를 나타낸 도면으로, 하나의 안테나로 송수신을 수행하는 안테나를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면 일반적인 송수신 급전선을 갖는 안테나(1)는 두께 t1의 내부 공간이 유전체로 차 있는 기판(10)의 상부면(11) 위에 구성되는 패치 안테나(A)(20) 및 송수신 급전선(B, C)(30, 40)을 포함하여 구성된다. 기판(10)의 내부 저면(12)은 도체로 덮여 있다.
패치 안테나(A)(20)는 일반적으로 정사각형으로 형성되며 도체이다.
송신 급전선(B)(30)은 송신기(미도시)와 연결되는 송신 단자(또는 “포트”라 함)연결되고, 수신 급전선(C)(40)은 수신기(미도시)와 연결된 단자에 연결되며, 도체이다.
도 2를 참조하면, 2층 기판 형태의 안테나(2)는 1층 기판(60)과 2층 기판(50)을 포함한다.
2층 기판(50)의 상부면(51) 패치 안테나(70) 및 수신 급전선(80)이 구성된다.
2층 기판(50)의 저면(52)은 전체가 도체(53)로 덮이되, 상기 도체(53)는 상기 패치 안테나(A)(70)의 중심부에 대응하여 애퍼처 슬롯(Aperture Slot)(54)이 형성된다.
송신기 급전선(B)(90)은 수신기 급전선(C)(80)에 수직으로 형성되고 1층의 저면에서 애퍼처 슬롯(54)을 가로질러 지나가도록 구성된다.
그러나 도 1 및 도 2의 한 개의 기존 안테나는 자기간섭신호가 -27dB 및 -26dB로 매우 높은 문제점이 있었다.
따라서 하나의 안테나로 송수신을 모두 수행할 수 있도록 하여 송수신장치의 크기를 최소화할 수 있으면서도 자기간섭신호를 감소시킬 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-447252호(2004.09.07.공고)
따라서 본 발명의 목적은 IFD 안테나의 패치 안테나에 대향하는 대향면을 제외한 송신 및 수신 급전선 주변에 일정 간격으로 배치되는 다수의 비아홀(Via-hole)을 형성하여, 송수신 신호의 격리도를 높여 자기간섭신호를 최소화하는 동일 대역 전이중 안테나를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동일 대역 전이중 안테나는: 일정 두께를 가지고 내부가 유전체로 채워지며, 저면이 도체로 덮이는 기판; 상기 기판의 상부면의 중앙에 구성되는 안테나 패치; 상기 기판의 상부면에 구성되되 상기 안테나 패치의 일측부에서 수신단에 연결되는 수신 급전선; 상기 안테나 패치의 일축부에서 송신단에 연결되되, 상기 수신 급전선에 수직되는 위치에서 구성되는 송신 급전선; 및 상기 송신 급전선 및 수신 급전선의 측면부 중 어느 하나 이상의 측면부에 일정 간격으로 형성되고 바닥면으로 형성되는 다수의 비아홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수신 급전선은 T자 형태로 형성되고, 상기 송신 급전선은 T자 형태로 형성되어 상기 기판의 상부면에 형성되되, 상기 수신 급전선 및 송신 급전선의 측면부 중 어느 하나 이상에 형성되는 비아홀은 상기 패치 안테나에 대향하는 수신 급전선 및 송신 급전선의 측면부를 제외한 측면부 중 어느 하나 이상의 측면부에 다수 개가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 비아홀은 내부가 채워진 도체로 구성되어 상기 기판 저면의 도체까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은 제1두께의 제1기판 및 상기 제1기판 하단부에 구성되는 제2두께의 제2기판으로 구성되고, 상기 패치 안테나는 상기 제1기판의 상부면 중앙부에 형성되고, 상기 제1기판의 저면에 형성되는 도체 상에 상기 패치 안테나의 중앙부에 대응하여 패치 안테나의 형상에 대응하여 구성되는 애퍼처 슬롯을 포함하며, 상기 수신 급전선은 T자 형태로 형성되고, 상기 송신 급전선은 상기 제2기판의 저면에서 상기 애퍼처 슬롯을 가로지르도록 형성되되 상기 수신 급전선과 수직으로 형성되며, 상기 비아홀은, 상기 수신 급전선의 상기 패치 안테나에 대향하는 측면부를 제외한 측면부 중 적어도 하나 이상의 측면부에 형성되고, 상기 송신 급전선의 양측으로 다수 형성되되 상기 패치 안테나에 대응되는 위치에는 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 비아홀은 내부가 채워진 도체로 구성되어 상기 기판 저면의 도체까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 급전선에 형성되는 비아홀은, 상기 제1기판의 상부면에서 제2기판의 저면까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 급전선에 형성되는 비아홀은, 상기 제2기판의 상부면에서 제2기판의 저면까지 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 급전선과 수신 급전선은 상호 교차되어 사용될 수 있다.
본 발명은 안테나 패치에 대향하는 부분을 제외한 송수신 급전선의 주변에 다수의 비아홀을 바닥면까지 형성하는 것만으로 송수신 신호의 격리도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
즉 본 발명은 안테나를 용이하게 구현할 수 있어 생산 단가를 낮출 수 있으면서도 송수신 신호의 격리도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 격리도를 향상시킬 수 있으므로 복수의 안테나를 사용할 필요가 없으므로 송수신 장치의 크기를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 송수신 급전선을 갖는 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 2층 기판 구조의 송수신 급전선을 갖는 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 1층 구조의 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조의 안테나 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 a-a의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 일예에 따른 b-b 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 다른 예에 따른 b-b 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명 및 종래의 송수신 급전선을 가지는 1층 구조의 안테나의 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 및 격리도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명 및 종래의 송수신 급전선을 가지는 2층 구조의 안테나의 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 및 격리도를 나타낸 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 1층 구조 및 2층 구조의 송수신 급전선을 가지는 안테나의 구조를 설명하고, 각 안테나의 동작 대역 및 S파라미터 특성을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 1층 구조의 안테나 구조를 나타낸 도면이고, 도 8은 801은 본 발명 및 종래의 송수신 급전선을 가지는 1층 구조의 안테나의 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 및 격리도를 나타낸 도면이다.
이하 도 3 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 안테나(100)는 1층 구조로 내부가 유전체로 채워지며 저면이 도체로 덮이는 기판(110), 상기 기판(110)의 상부면(111)의 중앙에 구성되는 패치 안테나(A)(120), 상기 패치 안테나(120)의 일측부에서 수신단에 연결되는 수신 급전선(140), 상기 수신 급전선(140)에 수직으로 형성되되 상기 패치 안테나의 일측부에서 송신단에 연결되는 송신 급전선(130) 및 상기 송신 급전선(130) 및 수신 급전선(140) 중 상기 패치 안테나(120)에 대향하는 주변을 제외한 주변에 다수 개가 형성되는 비아홀(150)을 포함한다.
상기 패치 안테나(120)는 정사각형으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 송신 급전선(130) 및 수신 급전선(140)은 T자 형상으로 형성된다. 상기 송신 급전선(130) 및 수신 급전선(140)은 상호 교차되어 사용될 수도 있을 것이다. 즉 송신 급전선(130)은 수신 급전선(140)으로 사용될 수도 있고, 수신 급전선(140)은 송신 급전선(130)으로 사용될 수도 있을 것이다.
비아홀(150)은 도 3에서 표시된 바와 같이 T자 형태의 송신 급전선(130) 및 수신 급전선(140)의 꺾인 부분 중 검은색으로 표현된 형태 및 흰색으로 표현된 형태 중 하나 이상의 형태로 다수 개가 형성되며, 내부가 채워진 도체로 구성된다. 즉 비아홀(150)은 T자 형태의 송신 급전선(130) 및 수신 급전선(140)의 측면 중 패치 안테나(120)에 대응하는 측면을 제외한 측면 중 어느 하나 이상에 다수 개가 형성되는 것이 바람직할 것이다. 상기 비아홀(150)의 개수는 도 3에서 표시된 바와 같이 각 측면에 대해 3개씩 구성되는 것이 바람직할 것이다.
상기 비아홀(150)은 상부면에서 기판(110)의 저면(112)까지 형성되는 것이 바람직할 것이다.
이와 같이 구성함으로써, 본 발명의 제1실시예에 따른 안테나(100)의 상기 각 급전선을 각각의 포트 1 또는 포트 2로 설정하여 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 S11과 S22 및 송수신 대역의 격리도를 나타내는 S21의 그래프는 도 8의 802와 같이 나타난다.
각 포트의 S11과 S22가 -10 dB 이하인 주파수 대역을 동작 대역으로 하므로, 동작 대역은 약 2.4GHz이며, 이때 송수신 포트 간 격리도는 약 -34dB이다.
이에 비해 기존 1층 구조의 안테나(1)는 S11과 S22가 -10dB 이하인 주파수 대역을 동작 대역으로 하므로 동작 대역은 약 2.4GHz이며, 이때 송수신 포트 간 격리도는 약 -27dB이다.
따라서 본 발명의 안테나(100)는 도 8의 801의 기존 안테나(1)보다 -7dB 높은 격리도를 보인다.
도 4는 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조의 안테나 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 a-a의 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 일예에 따른 b-b 단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 비아홀이 형성되는 송수신 급전선을 가지는 2층 구조 안테나의 다른 예에 따른 b-b 단면 구조를 나타낸 도면이며, 도 9의 901은 본 발명 및 종래의 송수신 급전선을 가지는 2층 구조의 안테나의 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 및 격리도를 나타낸 도면이다.
이하 도 4 내지 도 8, 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 송수신 급전선을 가지는 안테나(200)는 제1두께(t1)의 제1기판(210), 상기 제1기판(210) 위에 구성되는 제2두께(t2)의 제2기판(220)으로 구성된다.
상기 제1기판(210)의 상부면(211)의 중앙 부분에는 패치 안테나(230) 및 수신 급전선(240)이 형성된다.
상기 제1기판(210)의 저면(212) 또는 제2기판(220)의 상부면(212)에 형성되는 도체(213) 상에 상기 패치 안테나(230)의 중앙부에 대응하여 패치 안테나(230)의 형상에 대응하여 구성되는 애퍼처 슬롯(214)을 포함한다.
상기 수신 급전선(240)은 T자 형태로 형성된다.
상기 송신 급전선(250)은 상기 제2기판(220)의 저면에서 상기 애퍼처 슬롯(214)을 가로지르도록 형성되되 상기 수신 급전선(240)과 수직으로 형성된다.
비아홀(260)은 상기 수신 급전선(240)의 상기 패치 안테나(230)에 대향하는 측면부를 제외한 측면부 중 적어도 하나 이상의 측면부에 형성되고, 상기 송신 급전선(250)의 양측으로 다수 형성되되 상기 패치 안테나(230)에 대응되는 위치에는 형성되지 않는다.
상기 수신 급전선(240)에 형성되는 비아홀(260)은 내부가 채워진 도체로 구성되어 상기 제2기판(220) 저면의 도체까지 형성되는 것이 바람직할 것이다.
상기 송신 급전선(250)에 형성되는 비아홀(260)은 도 6과 같이 상기 제1기판(210)의 상부면(211)에서 제2기판(220)의 저면까지 형성될 수도 있고, 도 7과 같이 상기 제2기판의 상부면에서 제2기판의 저면까지 형성될 수도 있을 것이다.
이와 같이 구성함으로써, 본 발명의 제2실시예에 따른 안테나(200)의 상기 각 급전선을 각각의 포트 1 또는 포트 2로 설정하여 동작 대역폭을 측정한 S파라미터 S11과 S22 및 송수신 대역의 격리도를 나타내는 S21의 그래프는 도 9의 902와 같이 나타난다.
각 포트의 S11과 S22가 -10 dB 이하인 주파수 대역을 동작 대역으로 하므로, 동작 대역은 약 2.4GHz이며, 이때 송수신 포트 간 격리도는 약 -56dB이다.
이에 비해 기존 2층 구조의 안테나(2)는 S11과 S22가 -10dB 이하인 주파수 대역을 동작 대역으로 하므로 동작 대역은 약 2.4GHz이며, 이때 송수신 포트 간 격리도는 약 -26dB이다.
따라서 본 발명의 안테나(100)는 도 9의 901의 기존 안테나(2)보다 -30dB 높은 격리도를 보이고 있다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
100, 200: 안테나 110: 기판
120, 230: 패치 안테나 130, 250: 송신 급전전
140, 240: 수신 급전선 150, 260: 비아홀
210: 제1기판 220: 제2기판
212: 애퍼처 슬롯

Claims (7)

  1. 일정 두께를 가지고 내부가 유전체로 채워지며, 저면이 도체로 덮이는 기판;
    상기 기판의 상부면의 중앙에 구성되는 안테나 패치;
    상기 기판의 상부면에 구성되되 상기 안테나 패치의 일측부에서 수신단에 연결되는 수신 급전선;
    상기 안테나 패치의 일축부에서 송신단에 연결되되, 상기 수신 급전선에 수직되는 위치에서 구성되는 송신 급전선; 및
    상기 송신 급전선 및 수신 급전선의 측면부 중 어느 하나 이상의 측면부에 일정 간격으로 형성되고 바닥면으로 형성되는 다수의 비아홀을 포함하고,
    상기 기판은 제1두께의 제1기판 및 상기 제1기판의 하단부에 구성되는 제2두께의 제2기판으로 구성되고,
    상기 안테나 패치는 상기 제1기판의 상부면 중앙부에 형성되고,
    상기 제1기판의 저면에 형성되는 도체 상에 상기 안테나 패치의 중앙부에 대응하여 안테나 패치의 형상에 대응하여 구성되는 애퍼처 슬롯을 포함하며,
    상기 수신 급전선은 T자 형태로 형성되고,
    상기 송신 급전선은 상기 제2기판의 저면에서 상기 애퍼처 슬롯을 가로지르도록 형성되되 상기 수신 급전선과 수직으로 형성되며,
    상기 비아홀은,
    상기 수신 급전선의 상기 안테나 패치에 대향하는 측면부를 제외한 측면부에 각각 3개씩 형성되고, 상기 송신 급전선의 양측으로 다수 형성되되, 상기 안테나 패치에 대응되는 위치에는 형성되지 않으며,
    상기 비아는
    상기 송신 급전선으로 삽입된 신호의 입사 방향을 수신 급전선과 수직한 방향으로 정렬하여, 상기 송신 급전선과 상기 수신 급전선의 격리 효과를 향상시키는 역할을 수행하는
    송수신 급전선을 가지는 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수신 급전선은 T자 형태로 형성되고,
    상기 송신 급전선은 T자 형태로 형성되어 상기 기판의 상부면에 형성되되,
    상기 수신 급전선 및 송신 급전선의 측면부 중 어느 하나 이상에 형성되는 비아홀은 상기 안테나 패치에 대향하는 수신 급전선 및 송신 급전선의 측면부를 제외한 측면부 중 어느 하나 이상의 측면부에 다수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는 송수신 급전선을 가지는 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비아홀은 내부가 채워진 도체로 구성되어 상기 기판의 저면의 도체까지 형성되는 것을 특징으로 하는 송수신 급전선을 가지는 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비아홀은 내부가 채워진 도체로 구성되어 상기 기판의 저면의 도체까지 형성되는 것을 특징으로 하는 송수신 급전선을 가지는 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신 급전선에 형성되는 비아홀은,
    상기 제1기판의 상부면에서 제2기판의 저면까지 형성되는 것을 특징으로 하는 송수신 급전선을 가지는 안테나.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 송신 급전선에 형성되는 비아홀은,
    상기 제2기판의 상부면에서 제2기판의 저면까지 형성되는 것을 특징으로 하는 송수신 급전선을 가지는 안테나.
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