DE2821781A1 - Hochfrequenzantenne - Google Patents

Description

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München, den 17· Mai 1978 /WtI. Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 203

Raytheon Company, lAl Spring Street, Lexington, Mass. 02173» Vereinigte Staaten von Amerika

Hochfrequenzantenne

Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenzantennen und betrifft insbesondere Mehrfachstrahlantennen, die mit Hochfrequenzenergie arbeiten, welche zirkulär polarisiert ist.

Dem Fachmann ist allgemein bekannt, daß eine Anordnung von Antennenelementen über eine Parallelplatten-Hochfrequenzlinse derart gespeist werden kann, daß ein oder mehrere Richtstrahlen von Hochfrequenzenergie gebildet werden. In einer bekannten Antennenanordnung, die in der US-PS 3 76l 936 beschrieben ist, ist eine Linearanordnung von Antennenelementen, Übertragungsleitungen, einer Parallelplatten-Hochfrequenzlinse und einer Anzahl von Speisungseinführungen auf einem gewöhnlichen Substrat unter Verwendung von gedruckter Schaltungstechnik ausgebildet. Die Spei-

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sungszuführungen der Parallelplatten-Hochfrequenzlinse sind mit den Antennenelementen der Anordnung über einzelne abgegrenzte elektrische Pfade verbunden, welche die Bahnen der gedruckten Schaltung sind. Bei einer anderen Antenne, die aus der US-PS 3 75^ 270 bekannt ist, weist die Antennenanordnung eine Parallelplatten-Hochfrequenzlinse mit Speisungszuführungen auf, die als gedruckte Schaltkreise auf einem kreisförmigen Di-elektrikumsubstrat ausgebildet sind. Die Antennenelemente sind mit den Speisungszuführungen über verschiedene abgetrennte elektrische Pfade, wie etwa Koaxialkabel, verbunden. Bei beiden Ausgestaltungen ist es möglich, wenn die verschiedenen abgegrenzten elektrischen Pfade richtig abgestimmt sind, eine gewünschte Anzahl kollimierter Strahlen zu erzeugen, wobei jedes Strahlenbündel einen anderen Abtastwinkel hat. In der älteren amerikanischen Anmeldung Serial-No. 672 701 ist eine Mehrfachstrahlrichtantenne der vorgenannten Art beschrieben, die sich mit Vorteil dort verwenden läßt, wo geringe Größe gewünscht wird. Sie besitzt einen Parallelplattenbereich nach Art gedruckter Schaltung mit einer Vielzahl von Speisungszuführungen, die über einen Teil des Außenumfangs der Linse angeordnet sind, und einen ununterbrochenen, auseinanderstrebenden Abstrahlungsaufbau, der um den zweiten Abschnitt des Parallelplattenberexchs herum angeordnet ist, wobei der abstrahlende Aufbau mit den Speisungszuführungen über nicht eingegrenzte elektrische Pfade verbunden ist, welche durch den Parallelplattenbereich dargestellt werden, wodurch praktisch kollimierte Richtstrahlen erzeugt werden, ohne daß zwischen einzelnen Antennenelementen und der Linse abgegrenzte elektrische Pfade erforderlich sind. Wenngleich derartige Antennen für viele Anwendungsbereiche nützlich sind, wird bei dem Einsatz derartiger Antennen für Hochfrequenzwellen, die eine willkürliche Polarisation haben, ein gesonderter Polarisator im allgemeinen benötigt, der der Hochfrequenzlinse und dem Abstrahlungsaufbau vorgesetzt werden muß, wodurch die Gesamtgröße der Antenne wieder steigt.

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Auf dem Hintergrund dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Mehrfachstrahlrichtantenne zu schaffen, die geeignet ist, Hochfrequenzwellen auszusenden oder zu empfangen, die eine beliebige Polarisation haben.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe einer Mehrfachstrahlrichtantenne gelöst, welche folgende Merkmalskombination aufweist : Eine Hochfrequenzlinse, die durch eine Vielzahl von Speisungszuführungen gespeist wird und die einen nach Art gedruckter Schaltungen aufgebauten Parallelplattenbereich, sowie einen Polarisationsabschnitt aufweist* Der Polarisationsabschnitt besteht aus einer Vielzahl von Polarisierplatten, die durch eine Vielzahl von Schichten aus di-elektrischem Material voneinander getrennt sind, wobei die di-elektrischen Konstanten des Parallelplatt enbereichs nach Art der gedruckten Schaltung und der Schichten des di-elektrischen Materials so gewählt sind, daß praktisch gebündelte Strahlen gebildet werden und jeder Strahl jeweils einer Speisungszuführung zugeordnet ist. Auf diese ¥eise ist der Polarisierabschnitt ein integraler Teil der Hochfrequenzlinse, wodurch die Gesamtgröße der Antenne kleingehalten wird.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nun an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Mehrfachstrahlantenne nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht, teils aufgebrochen, der Mehrfachstrahlantenne aus Fig. Ij

Fig. 3 eine Schnittansicht durch die Mehrfachstrahlantenne nach der Linie 3~3 in Fig. 2;

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Fig. k eine diagrammartige Darstellung, in der die verschiedenen Bereiche der Mehrfachstrahlantenne aus Fig. 1 dargestellt sind; und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Weglängendifferenz und der vorgesehenen Öffnung für verschiedene di-elektrische Konstante darstellt, die im Bereich I der Fig. k verwendet werden.

Es werden zunächst die Fig. 1, 2 und 3 betrachtet, in denen die Mehrfachstrahlantenne 10 gezeigt ist, die eine Anzahl von (hier 17) Speisungsöffnungen 12a bis 12q und eine Hochfrequenzlinse lk aufweist, die über die Speisungsöffnungen 12a bis 12q gespeist wird. Die Hochfrequenzlinse lA setzt sich zusammen aus einem kreisförmigen, aus gedruckter Schaltung bestehendem Parallelplatt enber eich l6, einem Polarisierabschnitt 20 und einem Impedanzanpassungsübertragerabschnitt 22, durch den Reflexionen am Übergang von der Antenne in den freien Raum verringert werden und die Impedanz der Mehrfachstrahlantenne 10 an den umgebenden Raum angepaßt wird. Ein auseinanderstrebender Übergangsabschnitt l8 ist elektrisch mit der Vielzahl der Speisungsöffnungen 12a bis 12q durch nichtabgegrenzte elektrische Pfade gekoppelt, die im Parallelplattenbereich l6 vorgesehen sind.

Der als gedruckte Schaltung aufgebaute Parallelplattenbereich 16 und die Speisungsöffnungen 12a bis 12q sind auf einem di-elektrischen Substrat 2k gebildet. Ein Teil dieses Substrats 2k hat einen Außenradius R., der sich über einen Bogenbereich von l60 erstreckt, während der übrige Teil des Substrats einen größeren Außenradius R, hat, wie in der Fig. 2 angezeigt. Leitfähige Platten oder Beläge 26, 28 sind auf die Flächen des Substrats 2k aufgeklebt. Bereiche dieser leitfähigen Platten 26 sind mit herkömmlichen Methoden weggeätzt, wodurch die Speisungsöffnungen

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oder -Zugänge 12a bis 12q als Mikrostreifen-Schaltungsteile gebildet sind und die Streifenleiter dieser Schaltungsteile von den dreieckig geformten Bereichen in der Schicht 26 und von der Erdungsplatte gebildet werden, denn diese Schaltungsteile werden gebildst durch den Teil der leitfähigen Belagschicht 28, die sich vom Radius R. bis zum Radius R erstreckt. Die Speisungsöffnungen 12a bis 12q sind an Koaxialanschlußleiter, die nicht mit Bezugsziffern versehen sind, unter Verwendung üblicher Technik angeschlossen, wobei die Mittelleiter dieser Anschlüsse mit den Scheitelpunkten der dreiecksförmigen Mittelleiter dieser Mikrostreif enschaltkreise verbunden sind und die Außenleiter der Anschlüsse an die Erdungsplatte geführt sind, das heißt, an den leitfähigen Belag 28 dieser Mikrostreifenschaltungen.

Der auseinanderstrebende Ubergangsbereich 18 wird durch ein Paar von Metallplatten 30, 32, hier aus Aluminium, gebildet. Diese beiden Platten sind identisch in Gestalt und weisen einen kreisrunden Bereich auf, der elektrisch und mechanisch mit den Bereichen der leitfähigen Beläge 26, 28 verbunden ist, die die Außenleiter des Parallelplattenbereichs 16 bilden, wobei hier ein geeignetes leitfähiges Epoxidharz verwendet wird, beispielsweise ein mit Silber versetztes Epoxidharz. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt, ist der äußere Randbereich dies er Metallplatten 30, 32 unter einem spitzen Winkel od von im vorliegenden Fall 35 gegenüber dem Kreisflächenbereich der Metallplatten 301 32 angestellt, so daß, wenn diese Metallplatten mit den Außenleitern des Parallelplattenbereichs l6 verbunden sind (das heißt die Bereiche der leitfähigen Beläge haben einen Radius R.), ein durchlaufender, auseinanderstrebender Übergangsabschnitt gebildet ist. Der auseinanderstrebende tlbergangsabschnitt erstreckt sich über einen Bogen von weniger als l80 (hier l60 ) und strebt bis zu einer Distanz von I₁ = ^3i2 mm auseinander. Der auseinanderstrebende Übergangsabschnitt 18 hat einen dreieckig geformten Querschnitt mit abgeschnittener Spitze, wobei das Abschneiden der Spitze durch einen Teil des äußeren Randes des Parallelplatten-

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bereichs l6 bedingt ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Das bedeutet, der auseinanderstrebende Übergangsteil lö ist mit einem Teil des äußeren ümfangsrandes des Parallelplattenbereichs l6 gekoppelt, und die Anzahl der Speisungsöffnungen 12a bis 12q ist mit dem übrigen Umfangsbereich des Parallelplattenbereichs j6 gekoppelt, so daß der auseinanderstrebende Übergangsabschnitt l8 mit der Anzahl von Speisungsöffnungen 12a bis 12q über zwanglose elektrische Wege des Parallelplattenbereichs l6 verbunden sind. Wie noch beschrieben wird, ist jede der Speisungsöffnungen 12a bis 12q einer bestimmten aus einer Vielzahl von Wellenfronten oder ausgeblendeten StrahlenbündeJn von Hochfrequenzenergie zugeordnet. Ein keilförmig gestaltetes dielektrisches Element Jk₁ das im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Höhe 1 von 29»2 mm hat, ist innerhalb des auseinanderstrebenden Ubergangsabschnittes befestigt und besteht aus einem nichtleitenden Epoxid. Die Gründe dafür werden später noch deutlich.

Der Polarisierabschnitt 20 weist eine Anzahl (hier 6) von Polarisierplatten 36a bis 3&f und ebenfalls sechs Schichten eines di-elektrischen Materials 38a bis 38f auf, die fest miteinander unter Verwendung eines nichtleitenden Epoxide zu einem Sandwichaufbau verbunden sind, so daß die Polarisierplatten 36a bis 36f voneinander in der dargestellten Weise durch die Schichten des di-elektrischen Materials 38a bis 3öf getrennt sind. Der Polarisierabschnitt 20 wird am Übergangsabschnitt l8 mit Hilfe eines geeigneten nichtleitenden Epoxidharzes zwischen dem dielektrischen Element Jk und der ersten Schicht aus dielektrischem Material 38a befestigt. Die Polarisierplatten 36a bis 3&f haben übliche Gestaltung und weisen bei dem Ausführungsbeispiel eine Anzahl von Meanderlinienanordnungen auf, mit denen kreisförmig polarisierte Hochfrequenzwellen, die von der Antenne 10 aufgefangen werden, in geradlinig polarisierte Hochfrequenzwellen umgewandelt werden, deren elektrisches Feld normal aufden Ebenen des dielektrischen Substrats 2k steht, so daß im Parallelplatten-

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bereich l6 TEM-Wellen entstehen. (Es versteht sich, daß nach dem Prinzip der Umkehrbarkext TEM-Hochfrequenzwellen, die in den Parallelplattenbereich l6 über eine oder mehrere der Speisungszugänge 12a bis 12q eingegeben werden, vom Polarisierabschnitt 20 so umgewandelt werden, daß von der Antenne 10 zirkulär polarisierte Hochfrequenzwellen abgestrahlt werden). Es sei bemerkt, daß der Polarisierabschnitt 20 einen Rechteckquerschnitt mit einer Höhe H von 102 mm hat, was der Fig. 3 entnehmbar ist. Außerdem hat jede Schicht 38a bis 38f des dielektrischen Materials eine relative dielektrische Konstante von 4,0. Damit weist der Polarisierabschnitt 20 eine relative dielektrische Konstante von 4,0 auf, wie auch das dielektrische Element 3^» was zu einer praktisch vollständigen inneren Reflexion am Übergang vom Dielektrikum auf die Luft beim Polarisierabschnitt 20 für Hochfrequenzwellen führt, die den auseinanderstrebenden Übergangsabschnitt 16 verlassen. Somit ist das Achsenverhältnis der Antenne 10 nicht herabgesetzt durch Energie, die über die Polarisierplatten 36a bis 36f überfließt, was der Fall wäre, wenn die relative dielektrische Konstante des Polarisierabschnitts 20 nahe 1 wäre. Darüber hinaus ist der Reflexionskoeffizient für die insgesamt reflektierte Welle von der Polarisation praktisch unabhängig, was zu einer von der Polarisation unabhängigen Aperturflächenausleuchtuneund Phasengeschwindigkeit innerhalb des Polarisierabschnitts 20 führt, eine Bedingung, die nicht zuträfe, wenn an der Grenze des Dielektrikums ein Leiter und nicht Luft angrenzte. Die von der Polarisation unabhängige Aperturflächenausleuchtung führt zu einem guten Axialverhältnis über die vertikale Strahlbreite der Antenne, während die von der Polarisation unabhängige Phasengeschwindigkeit die Voraussetzung für gute Bandbreiteneigenschaften ist. Der Impedanzanpassungsabschnitt ist im vorliegenden Beispiel aus drei Schichten von dielektrischen Elementen 40a, 40b, 40c aufgebaut, die miteinander und mit der Polarisierschicht 36f verklebt sind, wozu jedes geeignete, nichtleitende Epoxidharz verwendet werden kann. Die dielektrischen Konstanten der dielektrischen Elemente 40a, 40b und 40c

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sind mit 3»03» 2,0 und 1,32 im vorliegenden Fall ausgewählt.

Nach der Festlegung der dielektrischen Konstanten der Schichten 38a bis 3Öf des dielektrischen Materials und der dielektrischen Konstanten der dielektrischen Elemente 40a, 40b und 4Oc₁ sowie des Polarisierabschnitts 20 und des Elementes 34 wird die dielektrische Konstante des dielektrischen Substrats 24 derart ausgewählt, daß sich kollimierte Strahlenbündel ergeben, das heißt, daß der Phasenfehler zwischen zwei Punkten auf einer hypothetischen linearen Wellenfront so klein wie möglich ist. Das heißt mit Bezug auf Fig. 4, daß die dielektrische Konstante des di-elcktrischen Substrats 24 so ausgewählt ist, daß eine minimale Differenz in der elektrischen Weglänge AB und der elektrischen Weglänge AC bei der größtmöglichen Projektionsöffnung X/R ist. In der Fig. 1 bedeutet der Bereich I da dielektrische Substrat 24. Der Bereich II steht für die Schichten des dielektrischen Materials 38a bis 3ßf und das dielektrische Element 34, sowie den Polarisationsabschnitt 20 (die hier alle die dielektrische Konstante 4,0 haben), während die Bereiche III A, III B und III C die dielektrischen Elemente 40a, 40b und 40c wiedergeben.

Es wird als nächstes die Fig. 5 in die Betrachtung einbezogen, die die Beziehung zwischen der Weglängendifferenz (AC minus AB) in Zoll im freien Raum und der projezierten Öffnung X/R in Abhängigkeit von verschiedenen Dielektrizitätskonstanten £ im Bereich I dargestellt ist. Die Beziehungen wurden aufgestellt bei einem Radius des Bereiches I von 7515 nun, einem Radius des Bereichs II von l42 mm und Radien der Bereiche III A, III Biind III C von 154 mm, l64 mm bzw. 17$ mm. Bei derartigen Verhältnissen ergibt eine relative Dielektrizitätskonstante von £_fi = 7»0 für das dielektrische Substrat 24 (das heißt Bereich I) die beste Fokussierung (das heißt die beste Kollimation). Man fand jedoch h-eraus, daß eine derartige Dielektrizitätskonstante nicht unbedingt zum günstigsten AnteniienverStärkungsfaktor führte,

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NACHQEREICHT

denn dielektrische Konstanten von weniger als 7|0 für den Bereich I vergrößerten die Strecke der projezierten Öffnung X/R, wenngleich dadurch eine geringe Tendenz der Linse l4 zumDefokussieren bemerkbar wird. Für gut brauchbare Werte von £„ (das heißt Werte, mit denen eine gute Fokussierung erzielt wirdf £_n

zwischen 6,5 und 7,0) erreicht man bei Veränderung von θ einen Maximalwert von 0,668 für die projizierte Öffnung X/R. Um für diesen Fall die bestmögliche Fokussierung und eine maximale projizierte Öffnung (X/JR) zu erhalten, wird für das dielektrische Substrat 2k eine dielektrische Konstante von 6,5 gewählt.

Aus der vorangehenden Diskussion geht wiederum hervor, daß die Hoclifrequenzlinse lk einen Parallelplattenbereich l6 und einen Polarisierabschnitt 20 aufweist und daß der Polarisierabschnitt 2D ein integrales Teil dieser Linse Ik ist.

An dem beschriebenen Ausführungsbeispiel können verschiedene Veränderungen vorgenommen werden, ohne daß dadurch die Erfindung verlassen wird. So kann beispielsweise der Radius des Parallelplattenbereichs l6 und des Polarisierabschnitts 20 anders als angegeben sein. Man kann auch die dielektrischen Konstanten des Substrats 2,k oder der Schichten 36a bis 36f verändern. Auch kann die Anzahl der polarisierenden Platten anders,als im Ausführungsbeispiel dargestellt,sein.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   II. Mehrfachstrahlantenne, welche eine Vielzahl von Speisungseingängen aufweist, von denen jeder einem entsprechenden Hochfrequenzstrahl zugeordnet ist, und die eine Hochfrequenzlinse enthält, die so mit der Anzahl von Speisungseingangen gekoppelt ist, daß jeder einzelne Strahl kollimiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse einen Parallelplattenbereich (l6) in Form von gedruckter Schaltung aufweist, unjüessen ersten Teil seines Umfangs die Anzahl der SpeisungsZugänge (12a bis 12q) angeordnet ist, und daß ein Polarisierabschnitt (20) den zweiten Teil des Umfangs des Parallelplattenbereichs (l6) umgibt.
2. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Umfangsteil des Parallelplattenbereichs (l6) von einem durchgehenden, auseinanderstrebenden Übergangsabschnitt (l8) umgeben ist, der sich zwischen dem zweiten UmfangsabSchnitts des Parallelplattenbereichs (l6) und dem Polarisierabschnitt (20) erstreckt, wobei der Polarisierabschnitt und der durchgehende, auseinanderstrebende Übergangsbereich (l8) mit der Vielzahl von Speisungszugängen durch nicht vorbestimmte elektrische Pfade im Parallelplattenbereich (l6) verbunden sind.
3. 3. Mehrfachstrahlantenne mit einer Vielzahl von SpeisungsZugängen und einer Hochfrequenzlinse, die mit den Speisungszugangen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (lA) einen Parallelplattenbereich (l6) nach Art einer gedruckten Schaltung aufweist, sowie einen Polarisierabschnitt (20) und daß die Anzahl von Speisungszugangen (12a bis 12q) um einen ersten Randabschnitt ab er eich des Parallelplattenbereichs (l6) angeordnet und der Polarisierabschnitt (20) um den zweiten Randabschnittsbereich vorgesehen sind und der Polarisierabschnitt (20) mit

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   der Vielzahl von Speisungszugängen (l2a bis 12q) über nicht vorbestimmte elektrische Pfade innerhalb des Brallelplattenbereichs (l6) miteinander in Verbindung stehen.
4. 4. Antenne, die eine Vielzahl von Speisungszugängen aufweist, gekennzeichnet durch einen Parallelplattenbereich (l6), der ein di-elektrisches Substrat (24) mit auf beiden Seiten des Substrates angebrachten Leiterschichten (26, 28) aufweist, und einen Polarisierabschnitt (20), der mit dem Parallelplattenbereich (l6) gekoppelt ist und ein dielektrisches Material aufweist, wobei die dielektrischen Konstanten des dielektrischen Substrates (24) und des dielektrischen Materials derart ausgewählt sind, daß die Antenne Hochfrequenzenergie, die durch' die Antenne auf einen oder einige der Speisungszugänge geleitet wird, kolli— miert.
5. 5· Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisierabschnitt (20) nicht durch leitendes Material eingegrenzt ist.
6. 6. Antenne mit einer Vielzahl von Speisungszugängen, einer mit den Speisungszugängen verbundenen Hochfrequenzlinse und einer Abstrahlöffnung der Antenne zum Kollimieren von Hochfrequenzenergie, die jedem Speisungszugang und einem entsprechenden Hochfrequenzenergiestrahl zugeordnet ist, der durch die Antenne hindurchgeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse einen Parallelplattenbereich (16) als gedruckte Schaltung mit einem dielektrischen Substrat (24) zwischen einem Paar leitender Schichten (26, 28) und einen Polarisierabschnitt (20) mit einer Vielzahl von Polarisierplatten, die in ein dielektrisches Material eingebettet sind, aufweist, und daß die Speisungszuführungen (12a bis 12q) um einen Teil des Umfangsrandes des Parallelplattenbereichs (l6) und der Polarisierabschnitt (20) um den restlichen Teil des Parallelplattenbereichs (l6) angeordnet sind.

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   7· Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Paral lelplattenbereich (l6) kreisförnrig ist und die Sjjeisungszuführuugen (12a bis 12q) vom Mittelpunkt des Parallelplattenbereichs (l6) einen Abstand von Ii₁ haben, daß der Polarisierabschnitt (20) eiiio erste, dem Parallelplattenbereich (20) zugewandte Außenfläche und eine zweite Außenfläche hat, die der Antennen-Öffnung zugewandt ist, und daß die zweite Außenfläche von der Mitte des Parallelplattenbereichs einen Abstand von H hat und

   ti

   dieser Abstand R₀ größer als der Abstand R ist, und daß die di-elektrische Konstante des dielektrischen Substrats (24) sich von der dielektrischen Konstante des dielektrischen Materials des Polarisierabschnitts (20) unterscheidet.

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