KR20120035459A - 다중 대역 ｍｉｍｏ안테나 - Google Patents

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Abstract

다중 대역 MIMO 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나는, 기판 상에서 그라운드와 연결되는 기생 패치, 상기 그라운드 및 상기 기생 패치와 각각 상호 이격하여 형성되고 상기 기생 패치와 커플링을 형성하는 용량성 결합 급전 패턴을 포함하며 상호 이격하여 형성되는 제1 안테나 및 제2 안테나를 포함한다. 이때, 상기 기생 패치는 상기 용량성 결합 급전 패턴과의 커플링을 통해 급전된다.

Description

다중 대역 ＭＩＭＯ안테나{MULTI BAND MIMO ANTENNA}
본 발명의 실시예는 MIMO(Multi-In Multi-Out) 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안테나들 간의 격리도를 개선한 다중 대역 MIMO 안테나 기술에 관한 것이다.
최근 무선통신 기술의 급격한 발전에 따라 그에 적합한 이동통신 단말기의 안테나에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 특히, 이동통신 단말기의 안테나 성능 향상을 위해 MIMO(Multi Input Multi Output) 안테나 시스템이 주목받고 있으며, 4세대 이동 통신에서는 통신 속도의 향상과 데이터의 용량 증대 등의 목적으로 MIMO 안테나 시스템 기술을 채택하였다.
MIMO 안테나 시스템은 무선 통신 환경에서 다수의 안테나를 사용하여 데이터를 송수신하는 다중 안테나 신호 처리 방식으로, 여러 개의 안테나를 사용하여 동일한 무선 채널에서 두 개 이상의 데이터 신호를 전송함으로써 무선 통신의 범위를 넓히고, 속도도 크게 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉, MIMO 안테나 시스템에서는 복수 개의 안테나를 배열(Array)하여 데이터의 양과 신뢰도를 높일 수 있다.
그러나, 이동통신 단말기에서 MIMO 안테나 시스템을 사용하면, 이동통신 단말기라는 공간적인 제약 때문에 안테나들 간에 상호 간섭(Mutual Coupling)이 발생하여 격리도(Isolation)가 저하되며, 그로 인해 안테나 성능이 저하되는 문제점이 있다.
즉, MIMO 안테나 시스템에서 안테나 상호 간의 성능 저하를 막기 위해서는 0.5λ 이상의 이격된 공간이 필요한데, 이동통신 단말기에서는 공간적 제약으로 인해 안테나들 간에 상호 간섭이 발생하여 격리도가 저하되고, MIMO 안테나 시스템의 용량 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 기판 상에 배열된 안테나들 사이에 3차원 구조의 격벽을 형성하거나 변형된 그라운드 구조를 사용함으로써, 각 안테나들 간의 상호 간섭을 최소화하고자 하는 방안이 시도되고 있다.
그러나, 이러한 방안은 MIMO 안테나의 부피를 크게 만들기 때문에 이동통신 단말기의 소형화 추세에 맞지 않으며, 단일 주파수 대역에서만 적용이 가능하다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 안테나들 상호 간의 간섭을 최소화하여 격리도를 개선할 수 있는 다중 대역 MIMO 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들은 안테나의 크기를 소형화 할 수 있음과 동시에 MIMO 안테나로서의 성능을 정상적으로 유지할 수 있는 다중 대역 MIMO 안테나를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 그라운드; 및 상기 그라운드와 연결되는 기생 패치, 상기 그라운드 및 상기 기생 패치와 각각 상호 이격하여 형성되고 상기 기생 패치와 커플링을 형성하는 용량성 결합 급전 패턴을 포함하며 상호 이격하여 형성되는 제1 안테나 및 제2 안테나를 포함하며, 상기 기생 패치는 상기 용량성 결합 급전 패턴과의 커플링을 통해 급전된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 기생 패치가 용량성 결합 패턴과의 커플링에 의해 급전되는 방식을 사용함으로써, 각 안테나들의 크기를 소형화 할 수 있고, 각 안테나들이 넓은 주파수 대역폭 특성을 갖도록 할 수 있으며, 각 안테나 간에 상호 간섭을 최소화하여 격리도 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 다중 대역 MIMO 안테나를 평면 상의 기판에 형성하고, 격리도 개선을 위한 별도의 구조물을 필요로 하지 않기 때문에, 안테나의 부피를 줄일 수 있어 안테나를 소형화 할 수 있고, 안테나의 제조에 따른 비용 및 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 반사 손실(S11) 및 격리도(S21)를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 구체적인 설계 파라미터를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 종단 패턴의 길이(L3)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제2 급전 라인과 커플링 패턴 사이의 간격(G)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제1 급전 라인과 접지 연결 패턴 사이의 간격(D2)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다중 대역 MIMO 안테나의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 기판(102), 그라운드(104), 제1 안테나(106), 및 제2 안테나(108)를 포함한다. 여기서, 상기 제1 안테나(106)와 상기 제2 안테나(108)는 좌우 대칭하여 형성된다. 따라서, 이하에서는 상기 제1 안테나(106)의 구성에 대해서만 설명하며, 상기 제2 안테나(108)의 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 그라운드(104)는 상기 기판(102)의 하단부에 일정 면적을 가지고 형성되며, 상기 제1 안테나(106) 및 상기 제2 안테나(108)는 상기 기판(102)의 상단부에 상기 그라운드(104)와 각각 연결되어 형성된다.
상기 제1 안테나(106)는 용량성 결합 급전 패턴(110) 및 기생 패치(120)를 포함한다. 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)은 예를 들어, M-WiMAX 대역인 3.4 ~ 3.6 GHz 대역의 신호를 송수신한다. 상기 기생 패치(120)는 예를 들어, WLAN 대역인 2.4 GHz의 신호를 송수신한다. 여기서, 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)과 상기 기생 패치(120) 상호 간의 전자기적 결합에 의해 상기 기생 패치(120)의 주파수 대역폭이 넓어지게 된다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
이 경우, 상기 기생 패치(120)는 WLAN 대역인 2.4 GHz 뿐만 아니라 M-WiMAX 대역인 2.5 ~ 2.69 GHz 대역의 신호를 송수신할 수 있게 되고, 상기 2.5 ~ 2.69 GHz 대역의 체배 주파수인 5.2 GHz 및 5.8 GHz 대역(이는 WLAN 대역 임)의 신호도 송수신 할 수 있게 된다. 즉, 상기 제1 안테나(106)는 2.4 GHz, 2.5 ~ 2.69 GHz, 3.4 ~ 3.6 GHz, 5.2 GHz 및 5.8 GHz 등 다중 대역의 신호를 송수신하게 된다. 정리하면, 상기 제1 안테나(106)는 WLAN 대역(2.4 GHz, 5.2 GHz 및 5.8 GHz) 및 M-WiMAX 대역(2.5 ~ 2.69 GHz 및 3.4 ~ 3.6 GHz)의 신호를 모두 송수신할 수 있게 된다.
상기 용량성 결합 급전 패턴(110)은 상기 그라운드(104)와 일정 간격 이격되고, 상기 그라운드(104)와 수직하게 형성되는 제1 급전 라인(112) 및 상기 제1 급전 라인(112)의 말단에서 상기 제1 급전 라인(112)과 수직하게 연결되는 제2 급전 라인(114)을 포함한다. 이와 같이, 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)은 예를 들어, L 형의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 그라운드(104)와 상기 제1 급전 라인(112) 사이의 공간에는 급전 포인트(Feed Point)(130)가 형성된다. 상기 급전 포인트(130)는 예를 들어, 동축 케이블(미도시)과 전기적으로 연결된다. 이때, 상기 동축 케이블(미도시)의 접지 단자가 상기 그라운드(104)와 접속되고, 상기 동축 케이블(미도시)의 급전 단자가 상기 제1 급전 라인(112)과 접속된다. 이 경우, 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)은 상기 급전 포인트(130)를 통해 전류를 공급받게 된다.
상기 기생 패치(120)는 접지 연결 패턴(122), 커플링 패턴(124), 및 종단 패턴(126)을 포함한다. 상기 접지 연결 패턴(122)은 상기 그라운드(104)에서 상기 그라운드(104)와 수직하게 연결되어 형성된다. 여기서, 상기 접지 연결 패턴(122)은 상기 제1 급전 라인(112)과 일정 간격 이격되어 평행하게 형성된다. 이때, 상기 접지 연결 패턴(122)과 상기 제1 급전 라인(112) 사이에 커플링으로 인해 발생하는 커패시턴스 성분을 무시할 수 있도록 상기 접지 연결 패턴(122)과 상기 제1 급전 라인(112) 사이의 간격을 조절해야 한다.
상기 커플링 패턴(124)은 상기 접지 연결 패턴(122)의 말단에서 상기 접지 연결 패턴(122)과 수직하게 연결되어 형성된다. 이때, 상기 커플링 패턴(124)은 상기 제2 급전 라인(114)과 일정 간격 이격되어 평행하게 형성된다.
여기서, 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)이 상기 급전 포인트(130)를 통해 전류를 공급받는 경우, 상기 제2 급전 라인(114)과 상기 커플링 패턴(124) 사이에 커플링이 발생하면서 상기 기생 패치(120)에 급전이 이루어지게 된다. 즉, 상기 기생 패치(120)는 다이렉트 피딩 방식이 아닌 용량성 결합 급전 방식에 의해 급전이 이루어지게 된다.
이 경우, 상기 커플링 패턴(124)과 상기 제2 급전 라인(114) 사이의 커플링으로 인한 커패시턴스 성분에 의해 상기 제1 안테나(106)의 공진 주파수를 낮출 수 있으며, 그로 인해 상기 제1 안테나(106)를 소형화 할 수 있게 된다. 즉, 상기 커플링으로 인한 커패시턴스 성분에 의해 상기 제1 안테나(106)의 전기적 길이를 줄일 수 있기 때문에 상기 제1 안테나(106)를 소형화 할 수 있게 된다.
그리고, 상기 기생 패치(120)의 공진과 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)의 공진이 전자기적으로 결합하여 2개의 공진 포인트를 형성하기 때문에 넓은 주파수 대역폭 특성을 가지게 된다. 특히, 상기 기생 패치(120)는 넓은 주파수 대역 특성으로 인해 WLAN 대역인 2.4 GHz 뿐만 아니라 M-WiMAX 대역인 2.5 ~ 2.69 GHz 대역의 신호를 송수신할 수 있게 되고, 그 결과 상기 2.5 ~ 2.69 GHz 대역의 체배 주파수인 5.2 GHz 및 5.8 GHz 대역(이는 WLAN 대역 임)의 신호도 송수신 할 수 있게 된다.
상기 종단 패턴(126)은 상기 커플링 패턴(124)의 말단에서 상기 커플링 패턴(124)의 하부로 상기 커플링 패턴(124)과 수직하게 형성된다. 이때, 상기 종단 패턴(126)은 상기 접지 연결 패턴(122)과 평행하게 형성되며, 상기 종단 패턴(126)의 길이가 상기 기생 패치(120)의 전체 길이를 결정하게 된다. 이와 같이, 상기 기생 패치(120)는 예를 들어, C 형의 형상으로 형성되어 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)을 감싸며 형성 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 반사 손실(S11) 및 격리도(S21)를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 WLAN 대역인 2.4 GHz, M-WiMAX 대역인 2.5 ~ 2.69 GHz, 3.4 ~ 3.6 GHz, 및 WLAN 대역인 5.2 GHz 및 5.8 GHz에서 공진이 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 여러 주파수 대역에서 공진이 발생하는 것을 알 수 있는데, 이는 용량성 결합 급전 패턴(110)과 기생 패치(120) 간의 전자기적 결합으로 넓은 주파수 대역폭 특성을 가지게 된 결과이다.
또한, 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 상기 각 주파수 대역에서 격리도(S21)가 -10 dB 이상인 것을 알 수 있는데, 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 격리도 개선을 위한 별도의 구조 및 장치를 형성하지 않고도 각 안테나들이 정상적으로 동작할 수 있는 수준의 격리도를 보이고 있음을 알 수 있다. 특히, 3.4 ~ 3.6 GHz, 5.2 GHz 및 5.8 GHz 대역에서는 격리도가 약 -20 dB로 우수한 격리도 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
즉, 상기 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 용량성 결합 급전 방식을 사용함으로써, 각 안테나들의 크기를 소형화 할 수 있고, 각 안테나들이 넓은 주파수 대역폭 특성을 갖도록 할 수 있으며, 각 안테나 간에 상호 간섭을 최소화하여 격리도 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 이 경우, 상기 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 MIMO 안테나로서의 다이버시티 성능을 만족할 수 있게 된다.
또한, 상기 다중 대역 MIMO 안테나(100)는 평면 상의 기판(102)에 형성되고, 격리도 개선을 위한 별도의 구조물을 필요로 하지 않기 때문에, 안테나의 부피를 줄일 수 있어 안테나를 소형화 할 수 있고, 안테나의 제조에 따른 비용 및 시간을 줄일 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, C1은 상기 기생 패치(120)와 상기 용량성 결합 급전 패턴(110) 사이의 커플링으로 인한 커패시턴스를 나타내고, L1은 상기 그라운드(104)와 연결된 기생 패치(120)에 따른 인덕턴스를 나타낸다. 그리고, Z0 및 βTL은 상기 용량성 결합 급전 패턴(110)을 포함한 각 안테나(106, 108)의 임피던스 성분을 나타낸 것이다. 여기서, 상기 C1으로 인해 각 안테나(106, 108)의 공진 주파수를 낮추어 각 안테나를 소형화 할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 MIMO 안테나의 구체적인 설계 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 기판(102)의 폭 Wg과 길이 Lg는 각각 25 mm 및 66 mm로 하였고, 제2 급전 라인(114) 및 커플링 패턴(124) 사이의 간격인 G는 0.5 mm로 하였고, 접지 연결 패턴(122)의 길이인 L1은 10 mm, 커플링 패턴(124)의 길이인 L2는 8 mm, 종단 패턴(126)의 길이인 L3는 6 mm로 하였다. 그리고, 제1 안테나(106)와 제2 안테나(108) 사이의 간격인 D1은 9 mm, 제1 급전 라인(112) 및 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격인 D2는 2 mm로 하였다.
여기서, 상기 종단 패턴(126)의 길이인 L3, 상기 제2 급전 라인(114)과 상기 커플링 패턴(124) 사이의 간격인 G, 및 상기 제1 급전 라인(112)과 상기 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격인 D2가 중요 설계 파라미터로서, 이를 조절하여 각 안테나의 주파수 대역폭 및 임피던스 매칭 특성을 조절할 수 있다. 이하에서는 도 5 내지 도 7을 참조하여 이에 대해 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 종단 패턴의 길이(L3)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 기생 패치(120)의 전체 길이를 결정하는 종단 패턴(126)의 길이(L3)가 4 mm에서 6mm로 길어질수록 2.4 GHz 및 2.5 ~ 2.69 GHz 대역에서는 공진 주파수가 낮아지면서 주파수 대역폭이 좁아지는 것을 볼 수 있고, 3.4 ~ 3.6 GHz, 5.2 GHz 및 5.8 GHz 대역에서는 공진 주파수는 높아지면서 주파수 대역폭이 넓어지는 것을 볼 수 있다. 그리고, 상기 종단 패턴(126)의 길이(L3)가 5 mm 일 때, 임피던스 매칭 특성이 가장 좋은 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 제2 급전 라인과 커플링 패턴 사이의 간격(G)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제2 급전 라인(114)과 커플링 패턴(124) 사이의 간격(G)이 1.5 mm에서 0.5 mm로 줄어들수록 용량성 결합 급전 패턴(110)과 기생 패치(120) 간의 용량성 결합이 커져서 각 주파수 대역에서 공진 주파수가 낮아지고 광대역 특성을 갖으며 임피던스 매칭 특성이 좋아지는 것을 볼 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제1 급전 라인과 접지 연결 패턴 사이의 간격(D2)에 따른 반사 손실을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제1 급전 라인(112)과 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격(D2)을 변화시킴으로써, 공진 주파수 대역 및 임피던스 매칭 특성을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 상기 제1 급전 라인(112)과 상기 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격(D2)을 너무 좁게 하면, 상기 제1 급전 라인(112)과 상기 접지 연결 패턴(122) 사이에 무시할 수 없는 커플링이 발생할 수 있다. 그리고, 상기 제1 급전 라인(112)과 상기 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격(D2)을 너무 넓게 하면, 상기 종단 패턴(126)과 상기 제2 급전 라인(114) 사이에 커플링이 발생할 수 있으므로, 상기 제1 급전 라인(112)과 상기 접지 연결 패턴(122) 사이의 간격(D2)을 적절히 조절하여야 한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
102 : 기판 104 : 그라운드
106 : 제1 안테나 108 : 제2 안테나
110 : 용량성 결합 급전 패턴 112 : 제1 급전 라인
114 : 제2 급전 라인 120 : 기생 패치
122 : 접지 연결 패턴 124 : 커플링 패턴
126 : 종단 패턴 130 : 급전 포인트

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 그라운드; 및
    상기 그라운드와 연결되는 기생 패치, 상기 그라운드 및 상기 기생 패치와 각각 상호 이격하여 형성되고 상기 기생 패치와 커플링을 형성하는 용량성 결합 급전 패턴을 포함하며 상호 이격하여 형성되는 제1 안테나 및 제2 안테나를 포함하며,
    상기 기생 패치는 상기 용량성 결합 급전 패턴과의 커플링을 통해 급전되는, 다중 대역 MIMO 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 안테나는,
    상기 제1 안테나와 좌우 대칭으로 형성되는, 다중 대역 MIMO 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용량성 결합 급전 패턴은 L형의 형상으로 이루어지고, 상기 기생 패치는 상기 용량성 결합 급전 패턴을 감싸는 C형의 형상으로 이루어지는, 다중 대역 MIMO 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용량성 결합 급전 패턴은,
    상기 그라운드와 일정 간격 이격되어 형성되고, 상기 그라운드와 수직하게 형성되는 제1 급전 라인; 및
    상기 제1 급전 라인의 말단에서 상기 제1 급전 라인과 수직하게 형성되는 제2 급전 라인을 포함하는, 다중 대역 MIMO 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기생 패치는,
    상기 그라운드에서 상기 그라운드와 수직하게 연결되어 형성되고, 상기 제1 급전 라인과 일정 간격 이격하여 평행하게 형성되는 접지 연결 패턴;
    상기 접지 연결 패턴의 말단에 상기 접지 연결 패턴과 수직하게 연결되어 형성되고, 상기 제2 급전 라인과 평행하게 형성되며, 상기 제2 급전 라인과 커플링을 형성하는 커플링 패턴; 및
    상기 커플링 패턴의 말단에서 상기 커플링 패턴의 하부로 상기 커플링 패턴과 수직하게 형성되는 종단 패턴을 포함하는, 다중 대역 MIMO 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다중 대역 MIMO 안테나는,
    상기 그라운드 및 상기 제1 급전 라인 사이의 공간에 형성되는 급전 포인트를 더 포함하며,
    상기 용량성 결합 급전 패턴은 상기 급전 포인트를 통해 전류를 공급받고, 상기 기생 패치는 상기 용량성 결합 급전 패턴과의 커플링을 통해 급전되는, 다중 대역 MIMO 안테나.


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