WO2001089034A1 - Trägerelement für eine antenne mit geringer handempfindlichkeit - Google Patents

Trägerelement für eine antenne mit geringer handempfindlichkeit Download PDF

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WO2001089034A1
WO2001089034A1 PCT/EP2001/000097 EP0100097W WO0189034A1 WO 2001089034 A1 WO2001089034 A1 WO 2001089034A1 EP 0100097 W EP0100097 W EP 0100097W WO 0189034 A1 WO0189034 A1 WO 0189034A1
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Gérard Salzgeber
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Siemens Transit Telematic Systems Ag
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    • H01Q7/04—Screened antennas

Definitions

  • the present invention relates to a support element for an antenna according to the preamble of patent claim 1.
  • portable receivers For the registration of people or objects, portable receivers are used, which are usually designed as so-called smart cards or chip cards, e.g. from U.S. 5,844,244 are known. Such cards are often referred to as electronic tickets.
  • WO 98/26370 describes a wireless communication system with portable receivers, in which the data transmission takes place via the (magnetic) H field.
  • Frequencies of 6.78 MHz, 13.5 MHz or 2 7 MHz are typically provided.
  • transmitters of the abovementioned frequency are arranged in the entrance area of a door of a public transport, the emitted electromagnetic field is designed as a near field in the aforementioned entrance area.
  • the term near field means that the so-called H-field component dominates.
  • the area of the near field is usually defined with a distance r, for which the relationship r ⁇ 0.6 * ⁇ applies, ⁇ stands for the wavelength.
  • ⁇ 22 m, so that the near field conditions are met up to a distance of approximately 12 m.
  • the transmission by means of frequencies of the aforementioned examples would require large antennas with dimensions of several meters.
  • the maximum size of the antenna is determined by the dimensions of a device or a carrier element.
  • the receiving antenna must be reduced to the dimensions of a chip card, for example.
  • chip cards usually have dimensions of credit cards, namely 53 x 85mm 2 .
  • Such a strong reduction in antenna size leads on the one hand to very low antenna reception voltages and on the other hand to an increased sensitivity of the antenna voltage to environmental influences.
  • the low sensitivity can usually be compensated for using a suitable amplifier pre-stage.
  • the energy consumption of such preliminary stages must be as small as possible.
  • the antenna voltage in the near field is inversely proportional to the third power of the distance between the receiving antenna and the transmitting antenna. For reasons of space, the number of turns of such antennas is limited.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a carrier element for an antenna which is insensitive to disturbing influences from the surroundings.
  • the shielding impresses with its simple feasibility, in which only somewhat wider conductor tracks are to be provided on the supporting circuit board at the edge (claim 5).
  • a further improvement of the shielding effect results with shields arranged in additional levels (claim 6).
  • the segmentation of the further shields further reduces the sensitivity to interference.
  • the segments can be insulated - called “floating" in technical terminology - or partially electrically connected to the ground (technical terminology: ground) (claim 8).
  • FIG la supervision of a chip card as the inventive carrier element of the antenna Figure lb sectional view of the support element according to the invention with optional additional shields / Figure 2 view of the structure of additional shields.
  • FIG. 1a shows a chip card in the view as the carrier element 5.
  • the carrier element 5 is designed in multiple layers.
  • the rectangle 3 gives the approximate extent of the layer mass
  • a loop antenna 11 - hereinafter only called antenna - is arranged with seven turns along the U fanges of the support element 5, the contact is made via the connections 12.
  • the other connections on the multi-layer support element 5 are omitted and only two of the seven Turns shown.
  • Figure la shields 21 are shown hatched, which surround the turns of the antenna 11 above and below. In real supervision, however, the turns of the antenna 11 would be invisible.
  • the number of turns of the antenna 11 is determined by the geometry of the carrier element 5 and by the design of the preamplifier stage required for amplifying the antenna voltage.
  • the antenna 11 is arranged in one plane.
  • electrical shields 21 are provided above and below the antenna windings.
  • the shield 21 or 2l x and 2I 2 each connected to a reference point 3, see FIG. 1b, is attached, which has the direct influence of the environment, ie a capacitive coupling to the winding prevented.
  • Such coupling acts as an antenna extension and this can result in a higher antenna voltage. Because of the detuning of the antenna 11 associated with this, this effect is undesirable and is achieved with the shield 21 or 21; * . and 21 fixed.
  • the coupling takes place by attaching the shield 21 or 21 ⁇ and 21 2 only through the magnetic component, namely with the H field, cf.
  • Vector representation H in Figure la The mass (ground layer) is usually chosen as the reference point 3.
  • the antenna 11 is tuned resonance to the reception requirement, this tuning can be carried out with a capacitor connected in parallel (not shown in the figures). If a larger bandwidth is required, the antenna can also be coupled in aperiodically.
  • the distance between the shields 21 1 and 21 2 is approximately 0.6 to 1 mm. Depending on the application, the distance can also be greater than 1 mm.
  • the shields 21 and 21 2 must be separated at a point 22 in order to prevent a circulating current, which would otherwise dampen the magnetic field to an unacceptably high degree.
  • the separation 22 in FIG. 1 a is arranged opposite the connections 12 of the antenna 11.
  • Epoxy resin FR4 can be used for the carrier material.
  • the additional layers required for a chip card such as mass (ground layer), L1, L2, etc. with the conductor tracks for the electronic components are not shown in FIG. 1b.
  • FIG. 2 shows a special embodiment of the arrangement and separation of the additional shield 61.
  • Such shields should be made as symmetrical as possible, for example by means of segments 61 r and 61 ⁇ ⁇ . With a division into four quadrants, it may be appropriate, depending on the application, to connect point-symmetrically or mirror-symmetrically two of the four segments with the layer ground (ground layer) ,
  • All shields 21 and 61 consist of thin copper foil or are designed as conductor tracks, the width of which is greater than the width of the antenna windings.
  • the antenna windings are also designed as conductor tracks.
  • the antenna voltage only changes by a few percent when approached by hand.
  • the antenna factor which as
  • Vm typically 10 -.
  • the following antenna voltage can thus be expected for the frequency 6.78 MHz at 1 W transmission power at a distance of approximately 1.5 with a carrier element 5 with seven antenna windings: 1 mV. At a greater distance of approx. 4 m, the antenna voltage would reduce to approx. 50 ⁇ V.
  • hand sensitivity can be further reduced by applying additional shielding layers.
  • the design of the carrier element according to the invention is not limited to frame-shaped antennas. Depending on the field of application of the antenna, topologically equivalent shapes are also possible; in particular, the present invention can also be implemented for ring antennas.
  • the shield 21 may also be sufficient to attach the shield 21 only on one side.

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Abstract

Um Störeinflüsse auf Antennen (11) mit wenigstens einer Windung zu reduzieren, wird ein mehrlagig ausgeführtes trägerelement (5) vorgeschlagen. Zusätzlich zur Lage mit der Antenne (11) ist wenigstens einseitig eine Abschirmung (21) vorgesehen, welche längs der Ausdehnung der Antenne angeordnet ist und an einer Stelle (22) aufgetrennt ist. Die Abschirmung (21) ist elektrisch mit einem auf dem Trägerelement befindlichen Bezugspunkt (3), vorzugsweise mit der Lage Masse, elektrisch verbunden. Durch die Abschirmung (21) werden Störeinflüsse wie z.B. durch eine Hand oder durch einen in der Nähe befindlichen metallischen Gegenstand reduziert.

Description

Trägerelement für eine Antenne mit geringer Handempfindlichkeit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tragerelement für eine Antenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für die Registrierung von Personen oder Gegenständen werden tragbare Empfänger eingesetzt, die meist als sogenannte Smartcards oder Chipcards ausgebildet sind, die z.B. aus U.S. 5.844.244 bekannt sind. Solche Cards werden oft auch als elektronische Billette bezeichnet.
In WO 98/26370 ist ein drahtloses Kommunikationssystem mit tragbaren Empfängern beschrieben, bei dem die Datenübertragung über das (magnetische) H-Feld erfolgt. Typischerweise sind Frequenzen von 6.78 MHz, 13.5 MHz oder von 27 MHz vorgesehen. Werden im Eingangsbereich einer Türe eines öffentlichen Verkehrsmittels Sender der vorstehend genannten Frequenz angeordnet, ist das ausgesendete elektromagnetische Feld im genannten Eingangsbereich als Nahfeld ausgebildet. Der Begriff Nahfeld bedeutet, dass der sogenannte H-Feld-Anteil dominiert. Der Bereich des Nahfeldes ist üblicherweise definiert mit einem Abstand r, für den die Beziehung r < 0.6 * λ gilt, λ steht dabei für die Wellenlänge. Bei einer Frequenz von z.B. 13.5 MHz beträgt λ = 22 m, so dass die Nahfeldbedingungen bis zu einer Distanz von etwa 12 m erfüllt sind.
Die Übertragung mittels Frequenzen der vorgenannten Beispiele würde grosse Antennen mit Abmessungen von mehreren Metern be- nötigen. In vielen Fällen ist die maximale Grosse der Antenne jedoch durch die Abmessungen eines Gerätes oder eines Trägerelementes vorgegeben. Für kontaktlose Erfassungssysteme muss die Empfangsantenne z.B. auf die Abmessungen einer Chipkarte reduziert werden. Solche Chipkarten haben üblicherweise Ab- messungen von Kreditkarten, nämlich 53 x 85mm2. Eine derartig starke Reduktion der Antennengrösse führt einerseits zu sehr geringen Antennen-Empfangsspannungen und andererseits zu einer erhöhten Sensitivität der Antennenspannung auf Umgebungseinflüsse. Die geringe Empfindlichkeit lässt sich meist mittels einer geeigneten Verstärkervorstufe kompensieren. Bei Chipkarten ist jedoch zu beachten, dass die Energieaufnahme solcher Vorstufen möglichst klein sein uss. Darüber hinaus ist im Nahfeldbereich die Antennenspannung umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstandes Empfangsantenne - Sendeantenne. Aus Platzgründen sind der Windungszahl solcher Antennen enge Grenzen gesetzt.
Bei tragbaren Empfängern stellt sich darüber hinaus das Problem, dass z.B. durch die Hand eines Menschen oder durch in der Nähe befindliche elektrisch leitende Körper der Empfang gestört wird. Die Störung kann beispielsweise eine erheblich reduzierte Antennenspannung oder eine Verstimmung der Antenne zur Folge haben. Mit Verstimmung ist eine Veränderung der vorgesehenen Resonanzfrequenz bezeichnet. Da mit der übertragenen Information eine Verrechnung einer bezogenen Leistung verbunden sein kann, ist eine besonders zuverlässig Uebertragung gefordert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Trägerelement für eine Antenne anzugeben, die unempfindlich ist auf Storeinflusse der Umgebung.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
So können sich die folgenden Vorteile zusätzlich ergeben: i) Die Abschirmung besticht durch die einfache Realisierbarkeit, in dem auf der tragenden Leiterplatte am Rand lediglich etwas breitere Leiterbahnen vorzusehen sind (Patentanspruch 5) . ii) Eine weitere Verbesserung der Schirmwirkung ergibt sich mit in zusätzlichen Ebenen angeordneten Abschirmungen (Patentanspruch 6) . iii) Durch eine Segmentierung der weiteren Abschirmungen wird die Sensitivität auf Störeinflüsse weiter reduziert. Die Segmente können isoliert - in der Fachsprache "floatend" genannt - oder teilweise mit der Masse (Fachsprache: Ground) elektrisch verbunden sein (Patentanspruch 8) .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur la Aufsicht auf eine Chipkarte als erfindungsgemässes Trägerelement der Antenne; Figur lb Schnittdarstellung des erfindungsgemässen Trägerelementes mit optionalen zusätzlichen Abschirmungen / Figur 2 Ansicht der Struktur zusätzlicher Abschirmungen.
Figur la zeigt als Trägerelement 5 eine Chipkarte in der Ansicht. Das Trägerelement 5 ist mehrlagig ausgeführt. Das Rechteck 3 gibt die ungefähre Ausdehnung der Lage Masse
(Groundlayer) an. Die Lage Masse braucht jedoch nicht flächig ausgeführt zu sein. Auf dem Trägerelement 5 sind Bauelemente 41 und 42 in diskreter oder integrierter Ausführung andeutungsweise angegeben. Eine Rahmenantenne 11 - im folgenden nur noch Antenne genannt - ist mit sieben Windungen längs des U fanges des Trägerelementes 5 angeordnet, die Kontaktierung erfolgt über die Anschlüsse 12. Der Uebersichtlichkeit halber sind die weiteren Verbindungen auf dem mehrlagigen Trägerelement 5 weggelassen sowie nur zwei der sieben Windungen dargestellt. In Figur la sind Abschirmungen 21 schraffiert dargestellt, die die Windungen der Antenne 11 oben und unten umgeben. In einer realen Aufsicht wären die Windungen der Antenne 11 jedoch unsichtbar. Die Anzahl Windungen der Antenne 11 bestimmt sich durch die Geometrie des Träger- ele entes 5 sowie durch die Ausführung der für die Verstärkung der Antennenspannung benötigten Verstärkervorstufestufe. Die Antenne 11 ist in einer Ebene angeordnet. Um den Einfluss elektrisch leitender Materialien auf die Antenne 11 abzuschwächen, sind elektrische Abschirmungen 21 vorgesehen. Oberhalb und unterhalb der Antennen-Windungen ist die je mit einem Bezugspunkt 3 verbundene Abschirmung 21 bzw. 2lx und 2I2 , siehe dazu die Fig. lb, angebracht, welche den direkten Einfluss der Umgebung, d.h. eine kapazitive Ein- kopplung auf die Wicklung verhindert. Eine solche Einkopplung wirkt als Antennenverlängerung und daraus kann eine höhere Antennenspannung resultieren. Wegen der damit verbundenen Verstimmung der Antenne 11 ist dieser Effekt unerwünscht und wird mit der Abschirmung 21 bzw. 21;*. und 21 behoben. Die Kopplung findet durch Anbringen der Abschirmung 21 bzw. 21ι und 212 nur durch die magnetische Komponente statt, nämlich mit dem H-Feld, vgl. Vektordarstellung H in Figur la. Als Bezugspunkt 3 wird üblicherweise die Masse (Groundlayer) gewählt.
Die Antenne 11 ist resonativ auf die Empfangs requenz abgestimmt, diese Abstimmung kann mit einem parallel dazugeschalteten Kondensator vorgenommen werden (in den Figuren nicht dargestellt) . Ist eine grössere Bandbreite erwünscht, kann die Antenne auch aperiodisch eingekoppelt werden.
Der Abstand der Abschirmungen 211 und 212 beträgt etwa 0,6 bis 1 mm. Je nach Anwendung kann der Abstand auch grösser als 1 mm betragen. Die Abschirmungen 21 und 212 müssen an einer Stelle 22 aufgetrennt werden, um einen Kreisstrom zu verhindern, welcher sonst das magnetische Feld unzulässig stark dämpfen würde. Die Auftrennung 22 ist in Fig. la in einer bevorzugten Ausführungsform gegenüber den Anschlüssen 12 der Antenne 11 angeordnet.
Für das Trägermaterial kann Epoxyharz FR4 verwendet werden. Die für eine Chipkarte erforderlichen weiteren Lagen wie Masse (Groundlayer), Ll, L2 , usw. mit den Leiterbahnen für die elektronischen Bauelemente sind in der Fig. lb nicht dargestellt.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung hat sich gezeigt, dass es sich als günstig erweist, zusätzlich zu den mit Masse verbundenen Abschirmungen 21 i und 212 zwei weitere nicht mit Masse verbundenen, elektrisch leitenden Abschirmungen 6^ und 612 anzubringen. Die Ausgestaltung der Abschirmungen 61 und 612 ist in Fig. lb gezeigt. Mit diesen zusätzlichen Ab- schirmungen 61 x und 612 wird das einwirkende, als E-Feld ausgebildete Potential gleichmässig auf die Abschirmungen 211 und 212 verteilt. Durch diese Massnahme kann insbesondere der Einfluss der Handempfindlichkeit noch weiter reduziert werden. Die Ausführung dieser zusätzlichen Ab- schirmungen 61 λ und 612 ist so vorzunehmen, dass diese je im Abstand von etwa 0.2mm von der Abschirmung 21χ bzw. 212 angeordnet sind.
In Figur 2 ist eine besondere Ausführungsform der Anordnung und Auftrennung der zusätzlichen Abschirmung 61 gezeigt.
Solche Abschirmungen sollten möglichst symmetrisch ausgeführt sein, beispielsweise mittels der Segmente 61r und 61ι τ .Bei einer Aufteilung in vier Quadranten kann es je nach Anwendungsfall zweck ässig sein, punktsymmetrisch oder spiegelsymmetrisch zwei der vier Segmente mit der Lage Masse (Groundlayer) zu verbinden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stellen 62, an welcher die Abschirmungen 61 τ und 61 rι aufgetrennt sind, gegenüber der Auftrennstelle 21 verschoben sind (in Fig. 2 nicht dargestellt) .
Alle Abschirmungen 21 und 61 bestehen aus dünner Kupferfσlie bzw. sind als Leiterbahnen ausgeführt, deren Breite grösser ist als die Breite der Antennenwindungen. Die Antennenwindungen sind in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls als Leiterbahnen ausgeführt. Die Antennenspannung verändert sich bei Annäherung mit der Hand nur noch um wenige Prozent. Der Antennenfaktor, der als
Quotient Antennenspannung durch H-Feld definiert ist, beträgt
Vm typischerweise 10 — .
A
Somit kann für die Frequenz 6.78 MHz bei l W Sendeleistung im Abstand von ca. 1.5 bei einem Trägerelement 5 mit sieben Antennenwindungen folgende Antennenspannung erwartet werden: 1 mV. In einem grösseren Abstand von ca. 4 m würde sich die Antennenspannung auf etwa 50 μV reduzieren.
Die Handempfindlichkeit kann abhängig von der benutzten Frequenz durch Anbringen von zusätzlichen Abschirmungslagen weiter reduziert werden.
Die Ausführung des er indungsgemässen Trägerelementes ist nicht auf rahmenförmige Antennen beschränkt. Je nach Einsatzgebiet der Antenne sind topologisch äquivalente Formen ebenso möglich, insbesondere kann die vorliegende Erfindung auch für Ringantennen ausgeführt sein.
Je nach Anwendung kann es auch ausreichen, die Abschirmung 21 nur einseitig anzubringen.

Claims

Patentansprüche
1. Trägerelement (5) , insbesondere Chipkarte, für eine Antenne (11), die wenigstens eine Windung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest teilweise Abschirmung (21) der mindestens einen Windung vorgesehen ist.
2. Trägerelement (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Windung im wesentlichen in einer Ebene verlaufend angeordnet ist und die Abschirmung (21) zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, im wesentlichen parallel zur Ebene entlang der Windung verlaufend angeordnet ist.
3. Trägerelement (5) nach Anspruch 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Abschirmung (21) an wenigstens einer
Stelle (22) elektrisch aufgetrennt ist und elektrisch mit einem Bezugspunkt (3), vorzugsweise mit Masse, verbunden ist.
4. Trägerelement (5) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau, wobei die Antenne (11), die Abschirmung (21, 21 !, 212) und der Bezugspunkt (3) in jeweils einer Lage angeordnet sind.
5. Trägerelement (5) nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Abschirmung (21, 211; 212) innerhalb einer Lage nach Art einer Leiterbahn ausgeführt ist.
6. Trägerelement (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Abschirmung (211# 212) je eine weitere Abschirmung (61 l t 612) vorgesehen ist, die je an wenigstens einer Stelle (62) elektrisch aufgetrennt ist.
7. Trägerelement (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Abschirmung (61l 612) sym- metrisch in zwei oder vier Segmente (6^, 61lx) gegliedert und an zwei oder vier Stellen (62) elektrisch aufgetrennt ist.
8. Trägerelement (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne aber nicht alle Segmente (61;*;, 61H) elektrisch mit Masse (3) verbunden sind und die verbundenen Segmente (61I; 6lπ) punktsymmetrisch oder spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro am 5. July 2001 (05.07.01) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1-8 durch neue Ansprüche 1-6 ersetzt (2 Seiten)]
1. Trägerelement (5), insbesondere Chipkarte, für eine Antenne (11) , die wenigstens eine Windung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest teilweise Abschirmung (21) der mindestens einen Windung vorgesehen ist, wobei die wenigstens eine Windung im wesentlichen in einer Ebene verlaufend angeordnet ist und die Abschirmung (21) zumindest einseitig, vorzugsweise beidseitig, im wesentlichen parallel zur Ebene entlang der Windung verlaufend angeordnet ist und dass die Abschirmung (21) an wenigstens einer Stelle (22) elektrisch aufgetrennt ist und elektrisch mit einem Bezugspunkt (2) , vorzugsweise mit Masse, verbunden ist.
2. Trägerelement (5) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau, wobei die Antenne (11) , die Abschirmung (21, 21χ/ 212) und der Bezugspunkt (3) in jeweils einer Lage angeordnet sind.
3. Trägerelement (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (21, 21., 21.) innerhalb einer Lage nach Art einer Leiterbahn ausgeführt ist.
4. Trägerelement (5) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Abschirmung (21., 212) je eine weitere Abschirmung (61., 612) vorgesehen ist, die je an wenigstens einer Stelle (62) elektrisch aufgetrennt ist.
5. Trägerelement (5) nach Anspruch , dadurch geken zeichnet, dass die weitere Abschirmung (61., 612) symmetrisch in zwei oder vier Segmente (61-, 61.-) gegliedert und an zwei oder vier Stellen (62) elektrisch aufgetrennt ist.
6. Trägerelement (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne aber nicht alle Segmente (61-, 61--) elektrisch mit
Masse (3) verbunden sind und die verbundenen Segmente (61..,
61--) punktsymmetrisch oder spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
IN ARTIKEL 19 (1) GENANNTE ERKLÄRUNG
Aufgrund der Ergebnisse des Recherchenberichtes vom 26. Juni 2001 wird ein neuer Anspruchssatz mit den Ansprüchen 1 bis 6 eingereicht, der der noch zu beantragenden vorläufigen internationalen Prüfung zugrunde gelegt werden wird.
Durch die Neunummerierung der Ansprüche ist die Beschreibung auf Seite 2 und 3 entsprechend anzupassen.
Das verwendete Bezugszeichen 3 ist in den ursprünglich eingereichten Beschreibung und in der Zeichnung doppelt belegt und wird in der neuen Anspruchsfassung nicht mehr benötigt. Das Merkmal Bezugspunkt wird neu mit dem Bezugszeichen 2 versehen.
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