WO2013140770A1 - アンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置 - Google Patents

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Abstract

導体板と、前記導体板端部近傍に配置された少なくとも2つのアンテナ素子と、前記導体板に形成された特性インピーダンスが任意の値Z1である第1スロットラインと、前記導体板に形成された特性インピーダンスがZ1よりも大きい任意の値Z2である第2スロットラインとを具備し、前記第1スロットラインの一端が前記導体板端部のうち前記アンテナ素子の間の領域で開口端となっており、前記第1スロットラインの他の一端が前記第2スロットラインの一端に連結し、前記第2スロットラインの他の一端は前記導体板内部で短絡されていること、を特徴とするアンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置である。

Description

アンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置
 本発明は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置に関し、特に、アンテナ素子間の干渉を低減し、かつ省スペース化や小型化を図るアンテナ装置に関する。
 アンテナ装置として、複数のアンテナ素子によって同一の無線信号を別々に受信し、電波状況のより優れたアンテナ素子からの受信信号を優先的に用いることで、信号の伝送速度を向上させるようにしたダイバシティアンテナが知られている。また最近、アンテナ装置として、複数のアンテナ素子によって、同一周波数帯域内の複数の異なる無線信号を同時に送信あるいは受信することで、アンテナ素子の数だけ信号のチャネル数を増やし、信号の伝送速度を飛躍的に向上させるようにしたMIMO(Multi-Input Multi-Output)アンテナが注目されている。
 前記のダイバシティアンテナやMIMOアンテナを用いて無線通信を行う際には、複数のアンテナ素子が、できるだけ互いに低相関な状態にあることが望ましいとされる。しかしながら、無線装置や端末等に複数のアンテナ素子を搭載する際、装置や端末の大きさ、アンテナ素子に用いることのできるスペースの制約などにより、アンテナ素子間の距離を、受信する電磁波の波長に対して十分離すことができない場合が多くある。このとき、複数のアンテナ素子間の電磁干渉(アンテナ素子間干渉)により、低相関が実現できず、ダイバシティアンテナやMIMOアンテナの通信性能が劣化する、という課題があった。
 そこで、例えば、複数のアンテナ素子と給電点を通してつながるグランドパターンの端部のうち、複数のアンテナ素子の間の領域にあたる部分に、前記アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さのスロットラインを形成することで、アンテナ素子間の干渉を低減させるようにしたアンテナ装置を備えた電子機器が知られている(特許文献1)。
特開2008-283464号公報
 しかしながら、特許文献1に記載のアンテナにおいて、グランドパターンの端部にスロットラインを設けた場合、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さのスロットラインを形成する必要があるため、スロットラインの長さの分だけ、グランドパターン上に設置される各種素子の設置スペースが少なくなるという問題が生じていた。
 本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンテナ素子間の干渉を低減することでアンテナ素子として一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置を提供することにある。
 上記の目的を達成するための本発明の一様態は、導体板と、前記導体板端部近傍に配置された少なくとも2つのアンテナ素子と、前記導体板に形成された特性インピーダンスが任意の値Z1である第1スロットラインと、前記導体板に形成された特性インピーダンスがZ1よりも大きい任意の値Z2である第2スロットラインとを具備し、前記第1スロットラインの一端が前記導体板端部のうち前記アンテナ素子の間の領域で開口端となっており、前記第1スロットラインの他の一端が前記第2スロットラインの一端に連結し、前記第2スロットラインの他の一端は前記導体板内部で短絡されていること、を特徴とするアンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置である。
 アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す側面図である。 本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置を搭載した無線端末装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置のS21パラメータに関するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施の形態のアンテナ装置の導体部の構成を示す斜視図である。 本発明の第2の実施の形態のアンテナ装置の導体部の構成を示す斜視図である。 本発明の第2の実施の形態のアンテナ装置の導体部の構成を示す側面図である。 本発明の第3の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す側面図である。 本発明の第3の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第4の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第5の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。
 以下、図を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施の形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
(第1の実施の形態)
 図1は、本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す側面図である。また、図2は、本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ装置10は、図1のように、グランド板に当たる導体板101と、導体板101に厚み方向に重なる誘電体基板110を備える。ただし、層数をさらに増加させた多層基板状に構成されても構わない。そして、図2のように、アンテナ装置10は、少なくとも二つのアンテナ素子102、103を備え、アンテナ素子102、103はそれぞれ導体板101の端部近傍に配置されおり、給電点102a及び103aを通して導体板101との間に電位差を与えられ、給電される。
 またさらに、アンテナ装置10は、第1スロットライン104、第2スロットライン105を備えており、第2スロットラインの幅gは、第1スロットラインの幅gよりも広い。そして、第1スロットライン104の一端は、アンテナ素子102と103との間の領域に属する導体板101の端部にて開口端となっており、第1スロットライン104の他の一端は第2スロットライン105の一端に連結し、第2スロットライン105の他の一端は導体板101内部で短絡されている。
 アンテナ装置10は、例えばパーソナルコンピュータや携帯電話等の無線端末装置に内蔵することができる。図3は、アンテナ装置10を搭載した無線端末装置60の構成を示す斜視図である。図3のように、無線端末装置60は、ボタンやディスプレイなどの各種部品を実装された筐体201を具備し、アンテナ装置10は筐体201内に収容され、各種電子回路部品などが追加で実装されている。
 以下、本発明の実施の形態の作用および効果について説明する。
 導体板端部に配置された複数のアンテナ素子の間の領域にあたる導体板端部近傍に、導体板端部にて開放端となるスロットラインが構成されているとき、アンテナ素子間干渉が低減される。特許文献1に記載のスロットラインは、アンテナ素子の共振周波数に対応する電磁波の波長λに対してスロットラインの線路長をおよそλ/4の長さとし、一端を導体板内部で短絡することで導体板端部の一端を開放端とし、アンテナ素子間の干渉を低減させている。
 一方、本発明の実施の形態においては、第1スロットライン104及び第2スロットライン105がステップドインピーダンス構造となっており、導体板101端部の開口端から見た第1スロットライン104及び第2スロットライン105の入力インピーダンスZstepは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
で表される。ただし、Zslot1、Zslot2はそれぞれ第1スロットライン104、第2スロットライン105の特性インピーダンス、l、lはそれぞれ第1スロットラインの長さl、第2スロットラインの長さlである。またβは、スロットラインを伝播する電磁波の伝播定数であり、式(2)で表される。
 アンテナ素子102、103間の干渉を抑制するためには、導体板101端部にて第1スロットライン104の開口部が開放端となっていればよいことから、Zstepが、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
を満たせばよい。よって、式(1)及び式(3)より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
となればよいことが分かる。
 本実施の形態においては、第1スロットラインの幅gよりも、第2スロットラインの幅gの方が広いことから、Zslot1<Zslot2となるので、式(4)の左辺は1より小さい値を取る。その結果、式(4)を満たすlとlの組み合わせのうち、全線路長l+lが、λ/4よりも小さくなるような組み合わせが存在することになり、スロットラインの線路長の短縮が可能となる。
 図4に、基板端の二つのアンテナ素子へ給電するポート間のS21パラメータを、スロットラインがない場合、アンテナ素子の共振周波数の波長λのλ/4の長さのスロットラインがある場合、および、本発明の実施の形態のスロットラインがある場合の、それぞれにおいて電磁界シミュレーションを行った結果を示す。
 電磁界シミュレーション時の各パラメータは以下の通りである。すなわち、導体板101は銅、誘電体基板110の誘電率は2.2、導体板及び誘電体基板の縦の長さLは204mm、導体板及び誘電体基板の横の長さWは200mmであり、導体板の厚さdは30μm、誘電体基板の厚さdは1mmである。また、アンテナ素子102、103は図2に示すような逆F形状のアンテナ素子を用いており、共振周波数は2.4GHzである。前記各アンテナ素子の給電点の間は65mm離れており、λ/4長のスロットライン及び本実施の形態におけるスロットラインは、それぞれともに前記アンテナ素子間の略中央に配置した。
 スロットラインの幅は、λ/4長のスロットラインが0.5mm、本実施の形態の第1スロットラインの幅g及び第2スロットラインの幅gが、それぞれ0.5mm、5mmである。スロットラインの長さは、λ/4長のスロットラインが26.25mm、本実施の形態の第1スロットラインの長さl及び第2スロットラインの長さlがともに7.35mmである。
 図4に示すとおり、λ/4長のスロットラインと本実施の形態のスロットラインにおけるS21パラメータは、アンテナ素子の共振周波数2.4GHzにおいてほぼ同等である。よって、本発明の実施の形態のスロットラインでは、λ/4長のスロットラインに比べて、アンテナ素子間の結合を抑制するのに必要なスロットラインの全線路長を短くできていることが確認される。
 以上により、本実施の形態においては、第1スロットライン104と第2スロットライン105の全線路長l+lが、λ/4よりも小さい値でアンテナ素子間の干渉の抑制効果を得ることができる。よって、本実施の形態においては、アンテナ素子間の干渉を十分に低減させたアンテナ特性を得ることができ、かつ省スペース化又は小型化を図ることができる、アンテナ装置およびこれを用いた無線端末装置を実現することができる。
 なお、式(4)の左辺に対して一般的に知られている相加平均と相乗平均の関係式を適用すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
が成り立つ。そして式(5)の第1項と第2項の間の等号が成り立つのは
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
のときである。よって、このとき式(5)の第1項は最小値となり、同時に全線路長l+lも最小値となる。ゆえに、式(4)及び式(6)を満たす構造が最も望ましい。ただし、本実施の形態においては、式(4)をおよそ満たせばよく、式(6)を満たす構造に限定しない。
 またさらに、図5に示すように、第1スロットライン104、第2スロットライン105を、少なくとも一度、途中で折り曲げることで、スロットラインの、導体板101における内部方向への専有部分の長さをより短くした構造も可能である。図4は、本発明の第1の実施の形態のアンテナ装置の、変形例のアンテナ装置10’を示す上面図である。この場合も、第1スロットライン104、第2スロットライン105の線路長と見なせる長さl、lが、式(4)をほぼ満たせば、アンテナ素子間の干渉抑制効果が実現される。
 以上のように、本発明の第1の実施の形態により、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
(第2の実施の形態)
 図6は、本発明の第2の実施の形態のアンテナ装置20の構造を示す上面図である。アンテナ装置20は、第1スロットラインの幅gと第2スロットラインの幅gが等しくてもよい点と、スロットライン104を形成する対向する導体板端部近辺に、少なくとも一部が対向する導体部301a、及び、少なくとも一部が対向する導体部301bがさらに配置されている点とが、第1の実施の形態のアンテナ装置10と異なる点であり、他の構成要素は同様である。
 導体部301a及び301bの拡大斜視図を図7に示す。図7は、誘電体基板110側から導体部301a及び301bを斜視したものであり、簡単化のため、誘電体基板110を透明化している。導体部301a、及び301bは、誘電体基板110内に配置された、それぞれ少なくとも一つの導体ビア401a、401bで構成され、導体板101と連結しており、互いに対向している。
 以下、第2の実施の形態の特徴である導体部301a及び301bの効果を説明する。導体部301a及び301bによって、第1スロットライン104においてのみ、スロットラインの対向する導体部の面積が増加するので、第1スロットライン104の特性インピーダンスZslot1が、第2スロットライン105の特性インピーダンスZslot2よりも低下する。よって、第1スロットライン104及び第2スロットライン105がステップドインピーダンス構造となり、式(4)の左辺が1より小さくなるので、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
 また、式(6)を満たすことでスロットラインの全線路長l+lが最小値となる点や、第1スロットライン104、第2スロットライン105を途中で折り曲げて、全スロットラインの導体板101において内部方向に専有する長さを短くするような、図5に類似の構造が可能である点も、第1の実施の形態と同様である。
 さらに、図8のように、導体ビア401a、401bの数を増やす、あるいは多層基板とすることで、導体ビア401a、401bの導体板101と連結する端部とは反対の端部に、導体ビア401a、401bを連結して対向させる導体板402a、402bを設ける構造が可能である。
 さらにまた、図9に示すように、図7に示す構造に加え、導体板101に対して誘電体基板110とは厚み方向に反対側に重ねられた誘電体基板120内に、導体板101に連結し互いに対向する導体ビア403a、403bを設け、さらに導体板404a、404bを、それぞれ導体ビア403a、403bの導体板101と連結する端部とは反対の端部に連結させることで、導体部301a、301b間の対向する導体の面積を大きくし、第1スロットライン104の特性インピーダンスZslot1をさらに小さくする構造が可能である。Zslot1をより小さくすることで、式(4)の左辺の値をより小さくでき、これにより全線路長l+lをより短くすることができる。
 以上のように、本発明の第2の実施の形態により、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
(第3の実施の形態)
 図10は、本発明の第3の実施の形態のアンテナ装置30の構造を示す側面図である。また、図11は、本発明の第3の実施の形態のアンテナ装置30の構造を示す上面図である。
アンテナ装置30は、第1スロットラインの幅gと第2スロットラインの幅gが等しくてもよい点と、第2スロットライン105の空隙部に重なる誘電体基板110に、さらに少なくとも一つ以上のスルーホール501が形成される点とが、第1の実施の形態のアンテナ装置10と異なる点であり、他の構成要素は同様である。
 以下、本実施の形態の特徴である、スルーホール501の効果について説明する。スルーホール501により、第2スロットライン105の対向する導体部間の空間の、実効的な誘電率が低下し、その結果、第2スロットライン105の特性インピーダンスZslot2が、第1スロットライン104の特性インピーダンスZslot1より大きくなる。よって、第1スロットライン104及び第2スロットライン105がステップドインピーダンス構造となり、式(4)の左辺が1より小さくなるので、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
 また、式(6)を満たすことでスロットラインの全線路長l+lが最小値となる点や、第1スロットライン104、第2スロットライン105を途中で折り曲げて全スロットラインが導体板101において内部方向に専有する長さを短くするような、図5に類似の構造が可能である点も、第1の実施の形態と同様である。
 以上のように、本発明の第3の実施の形態により、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
(第4の実施の形態)
 図12は、本発明の第4の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。
アンテナ装置40は、第1スロットラインの幅gと第2スロットラインの幅gが等しくてもよい点と、スロットライン104の空隙部および近傍の空間のうち、導体板101を除く領域の少なくとも一部に、誘電体基板110の誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体部601が充填されている点とが、第1の実施の形態のアンテナ装置10と異なる点であり、他の構成要素は同様である。
 以下、誘電体部601の効果について説明する。誘電体部601により、第1スロットライン104を構成する対向する導体板101の端部間のキャパシタンスが増加する。そのため、第1スロットライン104の特性インピーダンスZslot1が、第2スロットライン105の特性インピーダンスZslot2より小さくなる。よって、第1スロットライン104及び第2スロットライン105がステップドインピーダンス構造となり、式(4)の左辺が1より小さくなるので、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
 また、式(6)を満たすことでスロットラインの全線路長l+lが最小値となる点や、第1スロットライン104、第2スロットライン105を途中で折り曲げて全スロットラインが導体板101において内部方向に専有する長さを短くするような、図5に類似の構造が可能である点も、第1の実施の形態と同様である。
 以上のように、本発明の第4の実施の形態により、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
(第5の実施の形態)
 図13は、本発明の第5の実施の形態のアンテナ装置の構成を示す上面図である。アンテナ装置50は、第1スロットラインの幅gと第2スロットラインの幅gが等しくてもよい点と、スロットライン105の空隙部および近傍の空間のうち、導体板101を除く領域の少なくとも一部に、誘電体基板110の透磁率よりも大きい透磁率を有する磁性体部701が充填されている点とが、第1の実施の形態に係るアンテナ装置10と異なる点であり、他の構成要素は同様である。
 以下、磁性体部701の効果について説明する。磁性体部701により、第2スロットライン105の伝送線路としてのシリーズインダクタンスが増加する。そのため、第2スロットライン105の特性インピーダンスZslot2が、第1スロットライン104の特性インピーダンスZslot1より大きくなる。よって、第1スロットライン104及び第2スロットライン105がステップドインピーダンス構造となり、式(4)の左辺が1より小さくなるので、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
 また、式(6)を満たすことでスロットラインの全線路長l+lが最小値となる点や、第1スロットライン104、第2スロットライン105を途中で折り曲げて全スロットラインが導体板101において内部方向に専有する長さを短くするような、図5に類似の構造が可能である点も、第1の実施の形態と同様である。
 以上のように、本発明の第5の実施の形態により、アンテナ素子の共振周波数に対応する波長の1/4の長さの線路長のスロットラインを形成する場合に比べて、第1スロットラインと第2スロットラインの合計の線路長の方が短い状態でアンテナ素子間の干渉を低減することができるため、アンテナ素子としての一定の特性を保ちつつ、かつ省スペース化又は小型化を図れるアンテナ装置、およびこれを用いた無線端末装置を提供することができる。
 なお、以上の第1、第2、第3、第4、第5の実施の形態は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
 この出願は、2012年3月22日に出願された日本出願特願2012-064789を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 本発明は、複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置に関し、特に、アンテナ素子間の干渉を低減し、かつ省スペース化や小型化を図るアンテナ装置に関する。
 10、10’、20、30、40、50  アンテナ装置
 60  無線端末装置
 101  導体板
 102、103  アンテナ素子
 102a、103a  給電点
 104  第1スロットライン
 105  第2スロットライン
 110、120  誘電体基板
 201  筐体
 301a、301b  導体部
 401a、401b、403a、403b  導体ビア(301a、301bに含まれる)
 402a、402b、404a、404b  導体板(301a、301bに含まれる)
 501  スルーホール
 601  誘電体部
 701  磁性体部
 d  導体板の厚さ
 d  誘電体基板の厚さ
 L  導体板及び誘電体基板の縦の長さ
 W  導体板及び誘電体基板の横の長さ
 l  第1スロットラインの長さ
 l  第2スロットラインの長さ
 g  第1スロットラインの幅
 g  第2スロットラインの幅

Claims (10)

  1.  導体板と、前記導体板端部近傍に配置された少なくとも2つのアンテナ素子と、前記導体板に形成された特性インピーダンスが任意の値Z1である第1スロットラインと、前記導体板に形成された特性インピーダンスがZ1よりも大きい任意の値Z2である第2スロットラインとを具備し、前記第1スロットラインの一端が前記導体板端部のうち前記アンテナ素子の間の領域で開口端となっており、前記第1スロットラインの他の一端が前記第2スロットラインの一端に連結し、前記第2スロットラインの他の一端は前記導体板内部で短絡されていること、を特徴とするアンテナ装置。
  2.  前記第1スロットラインの幅よりも、前記第2スロットラインの幅の方が広いことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3.  前記第1スロットラインを形成する、対向する前記導体板端部近傍の領域A、Bそれぞれの近傍に、さらに少なくとも一部が対向する導体部A1、B1を有し、前記導体部A1、B1はそれぞれ前記導体板端部の領域A、Bに連結しており、前記導体部A1、B1同士は連結していないことを特徴とする、請求項1または2に記載のアンテナ装置。
  4.  前記第1スロットラインの空隙部に、さらに、前記第1スロットライン空隙部の実効的な誘電率よりも大きい誘電率を有する物質を、少なくとも一部充填することを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  5.  前記第2スロットラインの空隙部及び前記導体板を除く近傍の空間に、さらに、前記第2スロットラインの空隙部の実効的な透磁率よりも大きい透磁率を有する物質を、少なくとも一部充填することを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  6.  前記導体板が誘電体基板上に設けられたことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7.  前記誘電体基板内の、前記第2スロットラインの空隙部に重なる部分に、スルーホールを少なくとも一つ備えることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  8.  前記第1、第2スロットラインのうち、少なくとも一部が、折れ曲がった形状であることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  9.  前記第1スロットラインと、第2スロットラインとが、略同一とみなせる長さを持つことを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  10.  請求項1から9のいずれか一項に記載のアンテナ装置を備える無線端末装置。
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