WO2010066917A1 - Guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-tem - Google Patents

Guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-tem Download PDF

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Esperanza Alfonso Alos
José Ignacio HERRANZ HERRUZO
Alejandro Valero Nogueira
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Universidad Politecnica de Valencia
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/12—Hollow waveguides
    • H01P3/121—Hollow waveguides integrated in a substrate

Definitions

  • the main object of the present invention is an electrically wide multi-beam electromagnetic waveguide, so that it allows simultaneous and independent propagation of several beams or quasi-TEM type waves without interference between them.
  • a microstrip is a type of electrical transmission line for microwave signals manufactured from printed circuit boards. It consists of a conduction strip separated from a mass strip by a layer of dielectric substrate. However, it has the disadvantage that at high frequencies it has high losses, so it is necessary to resort to waveguides.
  • a waveguide is a physical structure that guides electromagnetic waves, which are normally transmitted when the electromagnetic wave bounces off its inner walls.
  • a closed waveguide is an electromagnetic waveguide in the form of a metallic conduit of conductive walls, either hollow or filled with a dielectric material and which can withstand a number of discrete propagation modes. Each discrete mode defines a propagation constant for that mode, the field being defined at any point in the guide in terms of the modes it supports. Curves or discontinuities cause conversion of modes, but not radiation, so there is no radiation field inside a waveguide.
  • the present invention describes a multi-beam electromagnetic waveguide for multiple quasi-TEM modes that achieves independent propagation in each mode.
  • the waveguides according to the prior art do not meet said objective, since the different waves interfere with each other, and it is not possible to feed each row independently.
  • the structure of the multibeam waveguide of the present invention comprises an upper layer similar to those of the waveguides of the prior art, fundamentally a simple conductive plane, and a lower layer with a slightly more complex structure, in particular a structure soft / hard of the type described in "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", by Per-Simon Kildal (IEEE Transactions on antennas and propagation, vol 38, N 0 10, October 1990).
  • the inventors of the present patent application have discovered that this configuration allows the simultaneous and independent propagation of several beams or waves, all of them of quasi-TEM type, without interference between them. Therefore, it is possible to replace a set of parallel single-mode waveguides of the prior art with a single multi-beam waveguide of the same width. This is especially interesting when the frequencies at which they are worked are high (from 20 GHz onwards), since as the frequency increases, the single-mode guides are getting smaller and more difficult to manufacture, so you have to add the difficult soldier that allows electrical continuity.
  • the present invention describes a multi-beam electromagnetic waveguide for quasi-TEM modes comprising the following parts:
  • This layer made of a low permittivity material, preferably air, constitutes the space through which electromagnetic waves are transmitted.
  • the inventors of the present patent application have discovered that the waveguide of the invention only allows propagation of the quasi-TEM waves when the air layer has a thickness h ⁇ ,
  • the base is made of a dielectric material, and has a lower conductive plane and an upper plane comprising a plurality of conductive longitudinal strips, each of which is connected to the conductive lower plane by means of a respective longitudinal corrugation conductive
  • This structure is what is known as a soft / hard structure, as explained previously in this document.
  • any wave can be propagated in any direction, regardless of the distance between them. For this reason, to direct the waves in a specific direction it is necessary to close these two conductive plates with two side walls, giving rise to the rectangular section guides of the prior art.
  • the electric field parallel to the "electric" plates is null.
  • Magnetic conductive materials do not exist in nature, but similar properties can be obtained with soft / hard corrugated structures. Depending on the depth from the corrugations it is achieved that the magnetic field on the surface, right next to the conductive strips, is null.
  • the upper plane of the base can theoretically be interpreted as a set of longitudinal conductive strips and intercalated magnetic conductors. The electrical conductive longitudinal strips allow the longitudinal propagation without problems
  • this structure not only insulates but also prevents the beams from taking another direction that is not the longitudinal one defined by the conductive longitudinal strips.
  • the conductive longitudinal strips must be electrically thin, and the separation between them must also be electrically small.
  • the width w of the strips longitudinal conductors is w>, while the separation I between strips
  • the thickness d of the lower base is within the range:
  • the longitudinal conductive corrugations are continuous, for example with a prismatic shape of a parallelepiped section.
  • the inventors of the present patent application have discovered that this configuration is that which provides better results, causing each of the modes to propagate longitudinally through the propagation layer without interfering with each other.
  • transverse conductive posts are used, the effect of which is approximately equivalent to that of continuous conductive longitudinal corrugations.
  • the transverse conductive posts may in principle have any shape, although in a preferred embodiment of the invention cylindrical posts are used,
  • the multibeam waveguide of the invention can be applied to any high frequency device that requires independent feeding of elements arranged in rows.
  • the most immediate application is the feeding of radiant grooves arranged on the upper layer of the guide. This greatly reduces the design of flat antennas for radar or communications applications at frequencies above 20 GHz
  • Fig. 1.- Shows a view of a multibeam waveguide according to an embodiment of the present invention, oversized in width.
  • Figs. 2.- Shows a detail of the perspective of Fig. 1, without the cover.
  • Fig. 3a, 3b.- They show a plan view and an elevation view of the guide of the previous figures.
  • Fig. 4 - Shows a simulation of the propagation of the independent waves within another particular embodiment of a multi-beam electromagnetic waveguide according to the invention.
  • Fig. 5. Shows a detail of another particular embodiment of a waveguide according to the present invention where continuous conductive longitudinal corrugations are used.
  • a particular embodiment of a multi-beam electromagnetic waveguide (1) for quasi-TEM waves according to the invention is described below, referring to the attached figures.
  • Figs. 1 and 2 respectively represent a perspective view and a detail of a waveguide (1) according to the invention, where the lid (2), the base (3) and the propagation layer (4) are appreciated, which in this example is air.
  • the cover (2) and the base (3) have been shown partially transparent in order to appreciate their internal structures.
  • the conductive walls that laterally close the waveguide (1) have not been represented to give rigidity to the assembly.
  • the interior of the base (3) has a structure comprising eight conductive longitudinal corrugations (5, 5 '), which in this first example are longitudinal rows (5) of cylindrical posts (6), whose upper ends are connected to the longitudinal conductive strips (7) arranged in the upper plane (3a) and whose lower ends are connected to the lower conductive plane (3b).
  • the conductive cylindrical posts (6) usually metallic, when close together are a good approximation of the theoretical continuous conductive longitudinal corrugations (5 ') shown in Fig. 5.
  • the manufacture of the cylindrical posts (6) conductors or via-holes is industrially simple, because they are common elements in printed circuit boards (PCBs).
  • Figs. 3a and 3b respectively show a plan and a side elevation of the multibeam waveguide (1) of the example, where the thicknesses of the layers that comprise it and the distribution of the conductive longitudinal strips (7) are appreciated.
  • Fig. 4 shows a computer simulation of a second example of waveguide (1 ') comprising a large number of conductive longitudinal corrugations (5, 5') that has been used to transmit five waves from five sources. You can see how the Waves remain confined in a ray without mixing or interfering with each other, achieving this effect without the need for walls that keep them isolated. In addition, this example serves to appreciate how it is not necessary that the number of beams transmitted by the waveguide coincides with the number of conductive longitudinal strips (7). The beams are generated by means of field sources that are separated from each other a distance normally different from the distance between the conductive longitudinal strips (7).
  • FIG. 5 shows a detail of a third example of waveguide (1 ") in accordance with the present invention, where the theoretical continuous conductive longitudinal corrugations (5 ') described in a particular embodiment of Ia invention.

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Abstract

Guía de ondas (1, 1', 1") electromagnéticas multihaz para modos cuasi- TEM, que comprende: una tapa (2) hecha de un material conductor; una capa de propagación (4), hecha de un material de baja permitividad,preferentemente aire, y cuyo espesor es h < λ/4, por donde se propagan las ondas electromagnéticas; y una base (3), hecha de un material dieléctrico, que comprende un plano inferior conductor (3b) y un plano superior (3a) con una pluralidad de tiras longitudinales conductoras (7), estando cada tira longitudinal conductora (7) conectada con el plano inferior conductor (3b) mediante una respectiva corrugación longitudinal conductora (5, 5').

Description

GUÍA DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS MULTIHAZ PARA MODOS
CUASI-TEM
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto principal de Ia presente invención es una guía de ondas electromagnéticas multihaz eléctricamente ancha, de modo que permite Ia propagación simultánea e independiente de varios haces u ondas de tipo cuasi-TEM sin interferencias entre ellos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Un microstrip es un tipo de línea de transmisión eléctrica para señales de microondas fabricado a partir de placas de circuito impreso. Consiste en una franja de conducción separada de una franja de masa por una capa de sustrato dieléctrico. Sin embargo, tiene el inconveniente de que a altas frecuencias tiene unas elevadas pérdidas, por Io que es necesario recurrir a guías de onda.
Una guía de onda es una estructura física que guía ondas electromagnéticas, que normalmente se transmiten al rebotar Ia onda electromagnética en sus paredes internas. En particular, una guía de onda cerrada es una guía de ondas electromagnéticas en forma de conducto metálico de paredes conductoras, bien hueco o lleno con un material dieléctrico y que puede soportar cierto número de modos de propagación discretos. Cada modo discreto define una constante de propagación para ese modo, pudiendo definirse el campo en cualquier punto de Ia guía en términos de los modos que soporta. Las curvas o discontinuidades provocan conversión de modos, pero no radiación, por Io que no existe campo de radiación en el interior de una guía de onda.
En el caso habitual de que se requiera alimentar un elevado número de elementos, es inevitable el empleo de tantas guías de onda como filas de elementos existan. Ese es el caso habitual de una antena para aplicaciones radar formada por una agrupación de ranuras, las cuales se alimentan por Ia concatenación de guías rectangulares monomodo. La fabricación de dicha estructura de guiado es muy costosa debido al reducido tamaño de las mismas y el cuidadoso soldado con Ia placa superior que requieren las paredes laterales de cada una de las guías si se pretende evitar Ia pérdida de potencia a altas frecuencias.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe una guía de ondas electromagnéticas multihaz para múltiples modos cuasi-TEM que consigue Ia propagación independiente de cada modo. Las guías de ondas de acuerdo con Ia técnica anterior no cumplen dicho objetivo, ya que las distintas ondas interfieren entre sí, y no es posible alimentar cada fila independientemente. Además, es necesario cerrar los laterales de Ia guía con paredes conductoras para evitar Ia pérdida de potencia, con Io que aumenta el efecto dispersivo de Ia estructura, ya que se forma una guía rectangular multimodo.
La estructura de Ia guía de ondas multihaz de Ia presente invención comprende una capa superior parecida a las de las guías de onda de Ia técnica anterior, fundamentalmente un simple plano conductor, y una capa inferior con una estructura ligeramente más compleja, en particular una estructura soft/hard del tipo descrito en "Artificially soft and hard surfaces in electromagnetics", de Per-Simon Kildal (IEEE Transactions on antenas and propagation, vol 38, N0 10, octubre 1990). Los inventores de la presente solicitud de patente han descubierto que esta configuración permite Ia propagación simultánea e independiente de varios haces u ondas, todos ellos de tipo cuasi-TEM, sin interferencias entre ellos. Por tanto, es posible sustituir un conjunto de guías de onda monomodo paralelas de Ia técnica anterior por una única guía de ondas multihaz de Ia misma anchura. Esto es especialmente interesante cuando las frecuencias a las que se trabajan son altas (de 20 GHz en adelante), ya que a medida que aumenta Ia frecuencia, las guías monomodo son cada vez más pequeñas y de más difícil fabricación, a Io que hay que añadir el difícil soldado que permite Ia continuidad eléctrica.
Por tanto, Ia presente invención describe una guía de ondas electromagnéticas multihaz para modos cuasi-TEM que comprende las siguientes partes:
1) Una tapa
Se trata de una capa plana hecha de un material conductor, del tipo de las habitualmente empleadas en guías de onda de Ia técnica anterior.
2) Una capa de propagación
Esta capa, hecha de un material de baja permitividad, preferiblemente aire, constituye el espacio por el que se transmiten las ondas electromagnéticas. Los inventores de Ia presente solicitud de patente han descubierto que Ia guía de ondas de Ia invención sólo permite Ia propagación
Figure imgf000005_0001
de las ondas cuasi-TEM cuando Ia capa de aire tiene un espesor h < ,
donde λ es Ia longitud de onda de Ia onda cuasi-TEM que se transmite. 3) Una base
En el presente documento se empleará el término "longitudinal" para hacer referencia a Ia dirección paralela a Ia de propagación de las ondas electromagnéticas, y "transversal" para hacer referencia a Ia dirección perpendicular al plano guía de ondas de Ia invención.
Así pues, Ia base está hecha de un material dieléctrico, y tiene un plano inferior conductor y un plano superior que comprende una pluralidad de tiras longitudinales conductoras, cada una de las cuales está conectada con el plano inferior conductor por medio de una respectiva corrugación longitudinal conductora. Esta estructura es Io que se conoce como estructura soft/hard, según se ha explicado previamente en el presente documento.
A continuación se explica brevemente el efecto de emplear una estructura soft/hard del tipo descrito como Ia base de una guía de ondas. En general, entre dos placas conductoras, comúnmente denominadas también placas "eléctricas", se puede propagar cualquier onda y en cualquier dirección, sea cual sea Ia distancia que las separe. Por ese motivo, para dirigir las ondas en una dirección concreta es necesario cerrar esas dos placas conductoras con dos paredes laterales, dando lugar a las guías de sección rectangular de Ia técnica anterior. Además, el campo eléctrico paralelo a las placas "eléctricas" es nulo.
Si existiesen placas "magnéticas, el campo magnético paralelo a ellas sería nulo, pero no así el campo eléctrico. No existen en Ia naturaleza materiales conductores magnéticos, pero se pueden obtener propiedades parecidas con las estructuras corrugadas soft/hard. En función de Ia profundidad de las corrugaciones se consigue que el campo magnético en Ia superficie, justo al lado de las tiras conductoras, sea nulo. Así pues, el plano superior de Ia base se puede interpretar teóricamente como un conjunto de tiras longitudinales conductoras eléctricas y conductoras magnéticas intercaladas. Las tiras longitudinales conductoras eléctricas permiten Ia propagación longitudinal sin problemas
(ya que hay conductor arriba y conductor abajo), mientras que las tiras longitudinales conductoras magnéticas no dejan que se propague nada (ya que hay conductor eléctrico arriba y conductor magnético abajo), de modo que los haces quedan aislados unos de otros. Además, esta estructura no sólo aisla sino que además impide que los haces tomen otra dirección que no sea Ia longitudinal definida por las tiras longitudinales conductoras.
Los inventores de Ia presente solicitud aprovechan el hecho de que no hay propagación cuando se combinan un plano eléctrico con un plano
X magnético a menos que h < — para impedir Ia propagación en Ia dirección
4 perpendicular a Ia de las tiras metálicas.
Las tiras longitudinales conductoras deben ser eléctricamente delgadas, y Ia separación entre ellas también debe ser eléctricamente pequeña. En realizaciones preferidas de Ia invención, el ancho w de las tiras
Figure imgf000007_0001
longitudinales conductoras es w > , mientras que Ia separación I entre tiras
longitudinales es I < — .
10
En otra realización particular de Ia invención, el espesor d de Ia base inferior está dentro del rango:
Figure imgf000007_0002
En otra realización preferida de Ia invención, las corrugaciones longitudinales conductoras son continuas, por ejemplo con forma prismática de sección paralelepipédica. Los inventores de Ia presente solicitud de patente han descubierto que esta configuración es Ia que proporciona mejores resultados, provocando que cada uno de los modos se propague longitudinalmente a través de Ia capa de propagación sin interferir entre ellas.
Sin embargo, debido a Ia dificultad de fabricar corrugaciones longitudinales conductoras continuas, en otra realización preferida de Ia invención se emplean hileras longitudinales de postes conductores transversales, cuyo efecto es aproximadamente equivalente al de las corrugaciones longitudinales conductoras continuas. Los postes conductores transversales pueden tener en principio cualquier forma, aunque en una realización preferida de Ia invención se emplean postes cilindricos,
X X preferentemente con un diámetro D, donde — < D < — , y separados entre sí
30 10
X X una distancia L, donde — < L < — .
10 4
La guía de ondas multihaz de Ia invención se puede aplicar a cualquier dispositivo de alta frecuencia que requiera de Ia alimentación independiente de elementos dispuestos en filas. La aplicación más inmediata es Ia alimentación de ranuras radiantes dispuestas sobre Ia capa superior de Ia guía. Esto abarata sobremanera el diseño de antenas planas para aplicaciones radar o de comunicaciones a frecuencias superiores a 20 GHz
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:
Fig. 1.- Muestra una vista de una guía de ondas multihaz de acuerdo con una realización de Ia presente invención, sobredimensionada en anchura.
Figs. 2.- Muestra un detalle de Ia perspectiva de Ia Fig. 1 , sin Ia tapa.
Fig. 3a, 3b.- Muestran una vista en planta y una vista en alzado de Ia guía de las figuras anteriores.
Fig. 4 - Muestra una simulación de Ia propagación de las ondas independientes dentro de otra realización particular de una guía de ondas electromagnéticas multihaz de acuerdo con Ia invención.
Fig. 5.- Muestra un detalle de otra realización particular de una guía de ondas de acuerdo con Ia presente invención donde se emplean corrugaciones longitudinales conductoras continuas.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Se describe a continuación una realización particular de una guía de ondas (1) electromagnéticas multihaz para ondas cuasi-TEM de acuerdo con Ia invención, haciendo referencia a las figuras adjuntas.
Las Figs. 1 y 2 representan respectivamente una vista en perspectiva y un detalle de una guía de ondas (1) de acuerdo con Ia invención, donde se aprecian Ia tapa (2), Ia base (3) y Ia capa de propagación (4), que en este ejemplo es de aire. La tapa (2) y Ia base (3) se han representado parcialmente transparentes con el objeto de que se aprecien sus estructuras internas. Por el mismo motivo, tampoco se han representado las paredes conductoras que cierran lateralmente Ia guía de ondas (1) para dar rigidez al conjunto.
Se observa cómo el interior de Ia base (3) tiene una estructura que comprende ocho corrugaciones longitudinales conductoras (5, 5'), que en este primer ejemplo son hileras longitudinales (5) de postes cilindricos (6), cuyos extremos superiores están conectados a las tiras longitudinales conductoras (7) dispuestas en el plano superior (3a) y cuyos extremos inferiores están conectados al plano inferior conductor (3b).
Como se ha mencionado previamente en el presente documento, los postes cilindricos (6) conductores, normalmente metálicos, cuando están muy juntos son una buena aproximación de las corrugaciones longitudinales conductoras continuas (5') teóricas que se muestran en Ia Fig. 5. Además, Ia fabricación de los postes cilindricos (6) conductores o via-holes es industrialmente sencilla, debido a que son elementos habituales en las placas de circuito impreso (PCBs).
Las Figs. 3a y 3b muestran respectivamente una planta y un alzado lateral de Ia guía de ondas (1) multihaz del ejemplo, donde se aprecian los espesores de las capas que Ia componen y Ia distribución de las tiras longitudinales conductoras (7).
La Fig. 4 muestra una simulación por ordenador de un segundo ejemplo de guía de onda (1') que comprende un gran número de corrugaciones longitudinales conductoras (5, 5') que se ha empleado para transmitir cinco ondas procedentes de cinco fuentes. Se observa cómo las ondas permanecen confinadas en un rayo sin mezclarse ni interferir entre sí, consiguiéndose este efecto sin Ia necesidad de paredes que los mantengan aislados. Además, este ejemplo sirve para apreciar cómo no es necesario que el número de haces que transmite Ia guía de ondas coincida con el número de tiras longitudinales conductoras (7). Los haces son generados mediante fuentes de campo que están separadas entre sí una distancia normalmente diferente de Ia distancia entre las tiras longitudinales conductoras (7).
Por último, Ia Fig. 5 muestra un detalle de un tercer ejemplo de guía de ondas (1") de acuerdo con Ia presente invención, donde se han empleado las corrugaciones longitudinales conductoras continuas (5') teóricas descritas en una realización particular de Ia invención.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Guía de ondas (1 , V, 1") electromagnéticas multihaz para modos cuasi- TEM, caracterizada porque comprende:
- una tapa (2) hecha de un material conductor;
- una capa de propagación (4), hecha de un material de baja
Figure imgf000012_0001
permitividad y cuyo espesor es h < , por donde se propagan las ondas
4 electromagnéticas
- una base (3), hecha de un material dieléctrico, que comprende un plano inferior conductor (3b) y un plano superior (3a) con una pluralidad de tiras longitudinales conductoras (7), estando cada tira longitudinal conductora (7) conectada con el plano inferior conductor (3b) mediante una respectiva corrugación longitudinal conductora (5, 5').
2. Guía de ondas (1 , V, V") electromagnéticas multihaz de acuerdo con Ia reivindicación 1, caracterizada porque Ia capa de propagación (4) es de aire.
3. Guía de ondas (1 , 1', 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el espesor d de Ia base (3) está dentro del rango:
Figure imgf000012_0002
4. Guía de ondas (1, V, 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque separación X I entre las tiras longitudinales conductoras (7) es / < — y Ia anchura w de las
tiras longitudinales conductoras (7) es w > — .
5. Guía de ondas (1 , 1', 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las corrugaciones longitudinales conductoras (5') son continuas.
6. Guía de ondas (1, V, 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque las corrugaciones longitudinales conductoras (5) son hileras longitudinales de postes transversales (6).
7. Guía de ondas (1 , 1', 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con Ia reivindicación 6, caracterizada porque los postes transversales (6) tienen forma cilindrica.
8. Guía de ondas (1 , T1 1") electromagnéticas multihaz de acuerdo con Ia reivindicación 7, caracterizada porque los postes transversales (6) cilindricos
X X tienen un diámetro D, donde — < D < — , y porque los postes transversales
30 10
X X (6) están separados entre sí una distancia L, donde — < L < — .
10 4
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Antennas and Propagation Society International Symposium, 2008. AP-S 2008. IEEE,05-07-2008", 5 July 2008, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, 05, ISBN: 978-1-4244-20, article ESPERANZA ALFONSO ET AL.: "Study of local quasi- TEM waves in oversized waveguides with one hard wall for killing higher order global modes", pages: 1 - 4 *
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