TWI532064B - 變壓器、射頻放大器及藉由變壓器以提供阻抗匹配的方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種變壓器、射頻放大器及藉由變壓器以提供此阻抗匹配的方法,尤指一種具有兩階段磁性感應的變壓器、具有此變壓器的射頻放大器,以及藉由此變壓器以提供阻抗匹配的方法。
變壓器已經廣泛的使用於電子與電力裝置,可用來升降壓,或是用來提供阻抗匹配(impedance matching)。實際上視應用電路需求(如增益、效率、功率、雜訊指數…等)決定阻抗匹配調整,例如為了使信號源傳送到負載的功率最佳化,可調整變壓器的阻抗比,將信號源的輸出阻抗匹配到負載阻抗。
在阻抗匹配方面,目前已有多項技術被揭露。例如,在美國第7,616,934號專利中,Macphail揭露了一種藉由控制多個開關,以提供不同阻抗匹配的方法。在美國第8,044,540號專利中,Lee等人亦揭露了一種用於具有變壓器的單刀雙擲開關或單刀多擲開關之系統和方法,而可用於阻抗匹配。
本發明之一實施例提供一種變壓器。變壓器包含第一線圈、第二線圈以及第三線圈。第一線圈用以輸入第一訊號以產生一第一訊號。第二線
圈與第一線圈磁性耦合,用以磁性感應第一訊號或輸入一第二輸入訊號,以產生第二訊號。第三線圈與第二線圈磁性耦合並與第一線圈磁性隔離,用以磁性感應第二訊號並輸出第三訊號。其中第二線圈設置於第一線圈與第三線圈之間。第一線圈鄰近於第二線圈,而第二線圈鄰近於第三線圈。
本發明之一實施例提供一種藉由上述的變壓器以提供阻抗匹配的方法。所述方法包含:藉由輸入該第一輸入訊號或該第二輸入訊號,使該變壓器所提供的阻抗匹配於一第一阻抗匹配及一第二阻抗匹配之間切換。
本發明之一實施例提供一種射頻放大器。所述射頻放大器包含第一線圈、第二線圈、第三線圈、第一放大器以及第二放大器。第一線圈用以輸入第一射頻訊號以產生第一訊號。第二線圈與第一線圈磁性耦合,用以磁性感應第一訊號及/或輸入第二射頻訊號以產生第二訊號。第三線圈與第二線圈磁性耦合,用以磁性感應第二訊號以產生第三訊號並輸出一輸出訊號,並藉由第二線圈而與第一線圈磁性隔離。第一放大器的一輸出端耦接於第一線圈的一端,用以輸出第一射頻訊號至第一線圈。第二放大器的輸出端耦接於第二線圈的一端,用以輸出第二射頻訊號至第二線圈。其中第二線圈設置於第一線圈與第三線圈之間。第一線圈鄰近於第二線圈,而第二線圈鄰近於第三線圈。
10‧‧‧變壓器
100‧‧‧射頻放大器
110、120‧‧‧放大器
130‧‧‧負載電路
240‧‧‧內圈
250‧‧‧外圈
2101至2104‧‧‧區域
a1至a3、b1至b3、c1至c3、d1至d3‧‧‧角點
B1、B2、B3‧‧‧區段
C‧‧‧電容
O、O’‧‧‧點
O1、O2‧‧‧訊號源
En1、En2‧‧‧致能訊號
IN1、IN2‧‧‧輸入訊號或射頻訊號
M1、M2‧‧‧導體
T1至T4‧‧‧輸出端
P1至P6‧‧‧端
S1、S2、S3‧‧‧訊號
SOUT‧‧‧輸出訊號
W1、W2、W3‧‧‧線圈
X、Y、Z‧‧‧方向
第1圖為本發明一實施例射頻放大器的電路圖。
第2圖為本發明一實施例變壓器的佈線圖。
第3圖為第2圖於一個區域內之線圈W1、線圈W2以及線圈W3的局部放大圖。
第4圖為本發明一實施例另一變壓器的佈線圖。
第5圖為本發明一實施例再一變壓器的爆炸圖。
第6圖為第5圖之變壓器的線圈W2的示意圖。
第7圖為本發明另一實施例變壓器的爆炸圖。
第8圖為第7圖之變壓器的線圈W2的示意圖。
請參考第1圖,第1圖為本發明一實施例射頻放大器100的電路圖。射頻放大器100耦接至負載電路130,並包含放大器110、放大器120以及變壓器10。變壓器10包含線圈W1、線圈W2以及線圈W3。線圈W1用以輸入輸入訊號IN1及產生訊號S1。線圈W2與W1磁性耦合,而用以磁性感應訊號S1及/或輸入輸入訊號IN2,以產生訊號S2。線圈W3與W2磁性耦合並與線圈W1磁性隔離,用以磁性感應訊號S2以產生訊號S3並輸出一輸出訊號SOUT。其中線圈W2設置於線圈W1與W3之間。線圈W1鄰近於線圈W2,而線圈W2鄰近於線圈W3。至於如何使線圈W3與W1磁性隔離,下面的說明中將會進一步地說明。此外,當輸入訊號IN1輸入至線圈W1時,線圈W1內會產生訊號S1。線圈W2產生訊號S2的原因例如為輸入訊號IN2輸入至線圈W2、或是線圈W2磁性感應訊號S1、或是線圈W2輸入輸入訊號IN2同時磁性感應訊號S1。
放大器110及/或120,就其功能而論,可為高頻放大器或功率放大器;就其輸入/輸出端數目而論,可為單端放大器(single-ended amplifier)或差動放大器(differential amplifier)。然而,本發明並不以此為限。在此實施例中,放大器110及120皆為差動放大器。放大器110的輸入端耦接訊號源O1,而放大器120的輸入端耦接訊號源O2。放大器110和120分別用以依據致能訊號En1及致能訊號En2,將訊號源O1和O2的訊號放大為輸入訊號IN1及IN2。放大器110的輸出端T1耦接於線圈W1的一端P1,而輸入訊號IN1自
線圈W1的一端P1輸入至線圈W1。放大器120的輸出端T3耦接於線圈W2的一端P3,而輸入訊號IN2自線圈W2的一端P3輸入至線圈W2。此外,放大器110和120另分別包含輸出端T2及T4,分別耦接至線圈W1及W2的各另一端P2及P4。
在本實施例中,放大器110依據致能訊號En1而作動,以將輸入訊號IN1輸出至線圈W1。相似地,放大器120則是依據致能訊號En2而作動,以將輸入訊號IN2輸出至線圈W2。其中,當放大器120因致能訊號En2而作動時,線圈W2所產生的訊號S2的功率會因此而改變。其中,上述的致能訊號En1和En2可以是放大器110與120的電源供應訊號、偏壓電路的控制訊號、射頻放大器100所使用的系統電壓(VDD或VCC)或偏壓。
此外,藉由是否致能放大器110及/或120,即可調整射頻放大器100的阻抗匹配。詳言之,可藉由致能訊號En1及En2,使變壓器10所提供的阻抗匹配於第一阻抗匹配及第二阻抗匹配之間切換。當放大器110致能而放大器120失能時,變壓器10藉由將輸入訊號IN1由線圈W1磁性感應至線圈W2、以及再由線圈W2磁性感應至線圈W3而產生訊號S3的兩階段磁性感應,即提供上述的第一阻抗匹配;當放大器110失能而放大器120致能時,變壓器10即提供上述的第二阻抗匹配。此外,亦可同時致能放大器110及120,以使變壓器10所提供的阻抗匹配為第三阻抗匹配。藉此,變壓器10所提供的阻抗匹配更可於第一阻抗匹配、第二阻抗匹配及第三阻抗匹配之間切換。在一實施例中,線圈W1、W2以及W3的轉換比(transformer ratio)為1:2:4,負載電路的負載阻抗為50Ω,此時第一阻抗匹配為,第二阻抗匹
配為,而第三阻抗匹配的典型值(等效值)為,亦
即第二阻抗匹配會大於第一阻抗匹配,且第三阻抗匹配的典型值會小於上述的第一阻抗匹配及第二阻抗匹配。在另一實施例中,第二阻抗匹配會小於第一阻抗匹配,且第三阻抗匹配的典型值會小於上述的第一阻抗匹配及第二阻抗匹配。
此外,由於輸入訊號IN1是否會被輸入到線圈W1是與致能訊號En1相關,且輸入訊號IN2是否會被輸入到線圈W2是與致能訊號En2相關。因此,依據本發明所提供的阻抗匹配的方法,可將輸入訊號IN1輸入至變壓器10的線圈W1而提供上述的第一阻抗匹配,以使輸出訊號SOUT的負載阻抗匹配於輸入訊號IN1。並可將輸入訊號IN2輸入至變壓器10的線圈W2而提供上述的第二阻抗匹配,以使輸出訊號SOUT的負載阻抗匹配於輸入訊號IN2。因此,藉由輸入訊號IN1及IN2,可使變壓器10所提供的阻抗匹配於上述的第一阻抗匹配及第二阻抗匹配之間切換。其中當輸入輸入訊號IN1而不輸入第二輸入訊號IN2時,變壓器10提供第一阻抗匹配;而當不輸入輸入訊號IN1而輸入第二輸入訊號IN2時,變壓器10提供第二阻抗匹配。另外,上述方法還可將輸入訊號IN1及IN2分別輸入至變壓器10的線圈W1及W2,使變壓器10提供上述的第三阻抗匹配。
再者,可藉由致能訊號En1和En2來調整射頻放大器100的輸出功率。換言之,倘若放大器110致能而放大器120失能時,射頻放大器100所輸出的功率為PW1;而放大器120致能放大器110失能時,射頻放大器100所輸出的功率為PW2,則當放大器110與120都致能時,若忽略能量損失,射頻放大器100所輸出的功率大致上等於(PW1+PW2)。因此,藉由致能訊號En1和En2,射頻放大器100所輸出的功率可在0、PW1、PW2及(PW1+PW2)之間切換。藉此,即可滿足多種輸出功率的需求。
在一實施例中,假設線圈W1具有等效電感(equivalent inductance)L1,線圈W2具有等效電感L2,而線圈W3具有等效電感L3,則等效電感L1、L2與L3之間的關係可為依序地呈遞增或遞減的關係,實際上視應用電路需求(如增益、效率、功率、雜訊指數…等)決定。換言之,等效電感L1、L2與L3之間的關係可為L1>L2>L3或是L1<L2<L3。其中,等效電感L1、L2與L3可藉由調整線圈W1、W2與W3的匝數及/或寬度來達成。以調整匝數為例,倘若L1>L2>L3,則線圈W1的匝數會大於線圈W2的匝數,而線圈W2的匝數會大於線圈W3的匝數。以調整寬度為例,則線圈W1的寬度會小於線圈W2的寬度,而線圈W2的寬度會小於線圈W3的寬度。
在一實施例中,L1<L2<L3且放大器120的輸出功率小於放大器110的輸出功率。舉例來說,若L1、L2與L3的比為1:2:4,則線圈W1、W2以及W3的轉換比亦為1:2:4,亦即第二阻抗匹配會大於第一阻抗匹配,且第三阻抗匹配的典型值會小於上述的第一阻抗匹配及第二阻抗匹配,因此較高的輸出功率可對應較低的阻抗匹配。在另一實施例中,L1>L2>L3且放大器120的輸出功率大於放大器110的輸出功率。且因變壓器10是藉由線圈W1、W2與W3進行兩階段的磁性感應以輸出訊號S3,故相較於傳統進行單一階段磁性感應的變壓器,本實施例之變壓器10具有較小的等品質因數圓(constant quality factor circle;constant Q circle),且變壓器10及射頻放大器100具有較大的頻寬以及較低的餽入損失(insertion loss),而在同一轉換比的條件下,本實施例之變壓器10佔用較小的面積(compact area)。
在本發明一實施例中,射頻放大器100可應用在無線電裝置的發送器當中,而上述的輸入訊號IN1及IN2可分別為不同的第一射頻訊號及第二射頻訊號。藉由致能訊號En1和En2,即可使上述無線電裝置的發送器的
發送功率在多個輸出功率之間切換,並同時地調整射頻放大器100的阻抗匹配。
另外,當放大器120為差動放大器時,可將電容C設置在放大器120的兩個輸出端T3及T4之間。而在射頻放大器100可切換的多個阻抗匹配(即上述的第一、第二及第三阻抗匹配)都不改變的情況下,可將電容C並聯於線圈W1、W2以及W3,以降低各線圈所需要的等效電感。
在較佳實施例中,若不考慮佈線需要造成的少量磁通損失,線圈W1與W2幾乎完全地磁性耦合,且線圈W2與W3亦幾乎完全地磁性耦合,並且線圈W3與W1幾乎完全地磁性隔離。在一實施例中,線圈W1與W3彼此間的距離不太遠,使得在假設性地忽略線圈W2提供的磁性隔離作用的情況下,線圈W1與W3可幾乎完全地磁性耦合。此外,線圈W1、W2與W3三者所在之平面會與一參考平面平行或重合,且此三個線圈各自的形狀中心於參考平面上的投影幾乎完全地重合。以下即藉由多個不同的實施例作進一步地說明。請參考第2圖及第3圖。第2圖為本發明一實施例變壓器10的佈線圖,而第3圖為第2圖於一個區域2101或2102內的線圈W1、W2以及W3的局部放大圖。在此一實施例中,參考平面即為由方向X和方向Y所構成的XY平面,而線圈W1、W2與W3在XY平面的每一區域2101或2102中分別包含設置於同一平面的一個區段B1、多個區段B2及多個區段B3,其中區段B1、多個區段B2及多個區段B3在所在的區域2101或2102內互相平行。此外,在每一區域2101或2102中,多個區段B2設置於區段B1之兩側以及多個區段B3的內側。藉由上述的設置,線圈W1與W2幾乎完全地磁性耦合、線圈W2與W3幾乎完全地磁性耦合,且線圈W3即可藉由線圈W2而與線圈W1幾乎完全地磁性隔離。此外,線圈W1、W2與W3形成內圈240及外圈250,其中內圈240係形成在多個區域2101內,而外圈250係形成在
多個區域2102內。而此三個線圈的形狀中心(即為此三個線圈所包圍之區域的中央位置)皆為XY平面上的O點或幾乎重合。再者,此三個線圈在區域2103及2104內係形成在不同的平面,且線圈W2的區段B2在區域2103及2104內橫跨線圈W1的區段B1,而線圈W3的區段B3在區域2103及2104內橫跨線圈W2的區段B2。線圈W2在區域2103內的兩個區段B2彼此交錯但互不接觸,以連接內圈240及外圈250的區段B2。線圈W1在區域2104內的兩個區段B1彼此交錯但互不接觸,以連接內圈240及外圈250的區段B1;而線圈W3在區域2104內的兩個區段B3彼此交錯但互不接觸,以連接內圈240及外圈250的區段B3。在本發明一實施例中,線圈W2在區域2103內的區段B2可涵蓋整個區域2103,以磁性隔離區域2103內的區段B1及B3。在本發明另一實施例中,線圈W1、W2與W3亦可只具在同一個區域2101或2102內的區段B1、B2及B3(如第3圖所示),而區段B1的形狀中心、區段B2的形狀中心以及區段B3的形狀中心皆為XY平面上的O’點或幾乎重合。
請參考第4圖,第4圖為本發明另一實施例變壓器10的佈線圖。此一實施例與第2圖類似,差異為線圈W1與W3所設置的位置互換。
請參考第5圖及第6圖。第5圖為本發明再一實施例一變壓器10的爆炸圖,而第6圖為第5圖之變壓器10的線圈W2的示意圖。在此一實施例中,線圈W1、W2與W3是位於三個互相平行的不同平面。詳言之,此三個線圈所在的平面都與由方向X和Y所構成的平面平行,但此三個線圈所在的平面在方向Z上所對應的座標會彼此不同。此外,如第6圖所示,導體M1及導體M2與線圈W2位於同一平面,導體M1設於線圈W2的外側並大致地包圍線圈W2,導體M2則為一個導體平板並設於線圈W2的內側。在本發明一實施例中,導體M1及M2都接地,以使線圈W1與W3之間有更好的
磁性隔離。此外,如第5圖所示,線圈W1的四個角點a1、b1、c1及d1會分別與線圈W2的四個角點a2、b2、c2及d2及線圈W3的四個角點a3、b3、c3及d3對齊。而若是將線圈W2所在的平面作為參考平面,則線圈W1的形狀中心與線圈W3的形狀中心在此參考平面上的投影即為線圈W2所包圍之區域的中央位置(即線圈W2的形狀中心)或幾乎重合。在一實施例中,此三個線圈之間電性互不接觸。在另一實施例中,此三個線圈則共同接地或耦接於一電源(power supply)。另外,此三個線圈具有相同的寬度,且線圈W1的兩端P1及P2、線圈W2的兩端P3及P4、與線圈W3的兩端P5及P6設置在變壓器10的三個不同側邊。藉由上述第5圖及第6圖的設置,線圈W1與W2幾乎完全地磁性耦合、線圈W2與W3幾乎完全地磁性耦合,且線圈W3亦可藉由線圈W2而與線圈W1幾乎完全地磁性隔離。
請參考第7圖及第8圖。第7圖為本發明另一實施例變壓器10的爆炸圖,而第8圖為第7圖之變壓器10的線圈W2的示意圖。第7圖的變壓器10與第5圖的變壓器10的不同之處在於導體M2的結構。如第8圖所示,變壓器10包含多個長條型的導體M2,其彼此間隔且大致地平行。如此設置導體M2的目的在於進一步地避免變壓器10產生渦電流而導致品質因素(Quality Factor)的降低。
綜上所述,透過本發明實施例之變壓器,其第三線圈藉由第二線圈與第一線圈磁性隔離。此外,因變壓器是藉由第一線圈、第二線圈與第三線圈進行兩階段的磁性感應以輸出第三訊號,故相較於傳統進行單一階段磁性感應的變壓器,具有較小的等品質因數圓。也因此,相較於傳統進行單一階段磁性感應的變壓器,本發明實施例之變壓器及射頻放大器具有較大的頻寬、較低的餽入損失、在同一轉換比的條件下,佔用較小的面積、以及射頻放大器可以得到在不同放大功率時的最佳阻抗匹配。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10‧‧‧變壓器
100‧‧‧射頻放大器
110、120‧‧‧放大器
130‧‧‧負載電路
C‧‧‧電容
O1、O2‧‧‧訊號源
En1、En2‧‧‧致能訊號
IN1、IN2‧‧‧輸入訊號或射頻訊號
T1至T4‧‧‧輸出端
P1至P6‧‧‧端
S1、S2、S3‧‧‧訊號
SOUT‧‧‧輸出訊號
W1、W2、W3‧‧‧線圈
Claims (20)
- 一種變壓器,包含:一第一線圈,用以輸入一第一輸入訊號以產生一第一訊號;一第二線圈,與該第一線圈磁性耦合,用以磁性感應該第一訊號或輸入一第二輸入訊號,以產生一第二訊號;以及一第三線圈,與該第二線圈磁性耦合並該與第一線圈磁性隔離,用以磁性感應該第二訊號並輸出一輸出訊號;其中該第二線圈設置於該第一線圈與該第三線圈之間,且該第一線圈鄰近於該第二線圈,而該第二線圈鄰近於該第三線圈。
- 如請求項1所述之變壓器,其中該第一線圈的多個區段、該第二線圈的多個區段與該第三線圈的多個區段設置於同一平面,且該第三線圈的該些區段藉由該第二線圈的該些區段而與該第一線圈的該些區段磁性隔離。
- 如請求項2所述之變壓器,其中該平面包含至少一區域,而該第一線圈、該第二線圈及該第三線圈在該區域中分別包含設置於同一平面的一第一區段、多個第二區段及多個第三區段,其中該第一區段、該些第二區段與該些第三區段互相平行,且該些第二區段設置於該第一區段之兩側以及該些第三區段之內側。
- 如請求項2所述之變壓器,其中該平面包含至少一區域,而該第一線圈、該第二線圈及該第三線圈在該區域中分別包含設置於同一平面的多個第一區段、多個第二區段及一第三區段,其中該些第一區段、該些第二區段與該第三區段互相平行,且該些第二區段設置於該第三區段之兩側以及該些第一區段之內側。
- 如請求項1所述之變壓器,其中該第三線圈是藉由該第二線圈而與該第一線圈磁性隔離。
- 如請求項1所述之變壓器,其中該第一線圈、該第二線圈與該第三線圈是位於三個互相平行的不同平面,且該第三線圈是藉由至少一導體而與該第一線圈磁性隔離。
- 如請求項6所述之變壓器,其中該第二線圈與該至少一導體位於同一平面。
- 如請求項7所述之變壓器,其中該至少一導體接地。
- 如請求項7所述之變壓器,其中該至少一導體包括一第一導體與一第二導體,該第一導體設置於該第二線圈之外側,且該第二導體設置於該第二線圈之內側。
- 如請求項1所述之變壓器,其中該第一線圈具有一第一等效電感,該第二線圈具有一第二等效電感,該第三線圈具有一第三等效電感,而該第一等效電感、該第二等效電感與該第三等效電感依序地遞增或遞減。
- 如請求項1所述之變壓器,其中一第一放大器的一輸出端耦接於該第一線圈的一端,且該第一放大器依據一第一致能訊號而作動以將該第一輸入訊號輸出至該第一線圈,並使該第二線圈磁性感應該第一訊號而產生該第二訊號。
- 如請求項11所述之變壓器,其中一第二放大器的一輸出端耦接於該第二 線圈的一端,且該第二放大器依據一第二致能訊號而作動以將該第二輸入訊號輸出至該第二線圈,並使該第二線圈磁性產生該第二訊號。
- 如請求項12所述之變壓器,其中該第一線圈的第一等效電感大於該第二線圈的第二等效電感,而該第二線圈的第二等效電感大於該第三線圈的第三等效電感,且該第二放大器的輸出功率大於該第一放大器的輸出功率。
- 如請求項12所述之變壓器,其中該第一線圈的第一等效電感小於該第二線圈的第二等效電感,而該第二線圈的第二等效電感小於該第三線圈的第三等效電感,且該第二放大器的輸出功率小於該第一放大器的輸出功率。
- 如請求項11所述之變壓器,另包含一電容,耦接於該第二線圈的兩端之間。
- 一種藉由如請求項1所述之變壓器以提供阻抗匹配的方法,包含:藉由輸入該第一輸入訊號或該第二輸入訊號,使該變壓器所提供的阻抗匹配於一第一阻抗匹配及一第二阻抗匹配之間切換。
- 如請求項16所述之提供阻抗匹配的方法,其中該變壓器所提供的阻抗匹配更於該第一阻抗匹配、該第二阻抗匹配及一第三阻抗匹配之間切換,該方法更包含:當輸入該第一輸入訊號而不輸入該第二輸入訊號時,該變壓器提供該第一阻抗匹配;當不輸入該第一輸入訊號而輸入該第二輸入訊號時,該變壓器提供該第 二阻抗匹配;以及當輸入該第一輸入訊號及該第二輸入訊號時,該變壓器提供該第三阻抗匹配。
- 如請求項16所述之方法,其中該變壓器耦接於一第一放大器與一第二放大器,該第一放大器用以將該第一輸入訊號輸出至該第一線圈,該第二放大器用以將該第二輸入訊號輸出至該第二線圈;該方法更包含:當該第一放大器致能且該第二放大器失能時,該變壓器提供該第一阻抗匹配;以及當該第一放大器失能且該第二放大器致能時,該變壓器提供該第二阻抗匹配。
- 一種射頻放大器,包含:一第一線圈,用以輸入一第一射頻訊號以產生一第一訊號;一第二線圈,與該第一線圈磁性耦合,用以磁性感應該第一訊號或輸入一第二射頻訊號,以產生一第二訊號;一第三線圈,與該第二線圈磁性耦合,用以磁性感應該第二訊號並輸出一輸出訊號,並藉由該第二線圈而與該第一線圈磁性隔離;一第一放大器,該第一放大器的一輸出端耦接於該第一線圈的一端,用以輸出該第一射頻訊號至該第一線圈;以及一第二放大器,該第二放大器的一輸出端耦接於該第二線圈的一端,用以輸出該第二射頻訊號至該第二線圈;其中該第二線圈設置於該第一線圈與該第三線圈之間,該第一線圈鄰近於該第二線圈,而該第二線圈鄰近於該第三線圈。
- 如請求項19所述之射頻放大器,其中該第一線圈的匝數大於該第二線圈的匝數,而該第二線圈的匝數大於該第三線圈的匝數;且該第二放大器的輸出功率大於該第一放大器的輸出功率。
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