FR2690788A1 - Channel guide antenna for radar - has central thin conductor strip with serrated comb-like protrusions in centre of channel - Google Patents
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Abstract
Description
ANTENNE RAYONNANTE A GUIDE EN AUGE AVEC PEIGNE CENTRAL
La présente invention concerne les antennes d'émission ou réception d'énergie hyperfréquence.RADIUS ANTENNA WITH GUIDE TO TRUCK WITH CENTRAL COMB
The present invention relates to antennas for transmitting or receiving microwave energy.
Dans certaines applications, il est souhaitable de réaliser des antennes à forte dispersité de pointage c'est à dire des antennes présentant un diagramme de rayonnement dont le lobe principal présente une direction variant fortement avec la fréquence d'émission ou de réception. In certain applications, it is desirable to produce antennas with high pointing dispersity, that is to say antennas having a radiation pattern, the main lobe of which has a direction varying greatly with the frequency of transmission or reception.
Par exemple les antennes à balayage de fréquence utilisent ce phénomène de dispersivité de pointage : par une variation de la fréquence d'émission, on peut faire balayer par un faisceau radar une zone d'observation de plusieurs dizaines de degrés. For example, frequency scanning antennas use this pointing dispersivity phenomenon: by varying the transmission frequency, an observation area of several tens of degrees can be swept by a radar beam.
Par rapport aux antennes existant actuellement et présentant une certaine dispersivité de pointage, on cherche à réaliser ici une antenne ayant
- une bande de fréquences utile particulièrement large,
- un diagramme de rayonnement présentant des lobes latéraux et diffus très bas et un lobe principal très pointu,
- une forte dispersivite de pointage dans toute la bande,
- des pertes aussi faibles que possible,
- et surtout une grande facilité de fabrication, un faible poids et un bas prix.Compared to the antennas currently existing and having a certain pointing dispersivity, it is sought here to produce an antenna having
- a particularly wide useful frequency band,
- a radiation diagram with very low lateral and diffuse lobes and a very pointed main lobe,
- a high pointing dispersivity throughout the band,
- losses as low as possible,
- and above all, great ease of manufacture, low weight and low price.
Pour obtenir une telle antenne, la présente invention propose de faire rayonner en mode transverse électromagnétique (TEM) un guide d'ondes rectangulaire ayant un côté ouvert (guide en auge), le guide étant alimenté en énergie hyperfréquence en mode transverse électrique par une lame centrale mince conductrice dont la partie supérieure est conformée en peigne à grand nombre de dents, le rayonnement en mode transverse électromagnétique étant obtenu grace à des obstacles conducteurs dissymétriques répartis de place en place le long du guide, alternativement de part et d'autre de la lame. Les dents du peigne ont une hauteur au moins égale à l'espacement entre la lame centrale et les parois latérales du guide d'ondes. To obtain such an antenna, the present invention proposes to radiate in transverse electromagnetic mode (TEM) a rectangular waveguide having an open side (trough guide), the guide being supplied with microwave energy in electric transverse mode by a blade. thin conducting central unit whose upper part is comb-shaped with a large number of teeth, the radiation in electromagnetic transverse mode being obtained by dissymmetrical conducting obstacles distributed from place to place along the guide, alternately on either side of the blade. The teeth of the comb have a height at least equal to the spacing between the central blade and the side walls of the waveguide.
Les obstacles dissymétriques sont répartis sensiblement périodiquement avec un pas largement supérieur au pas des dents du peigne et les dimensions et positions de ces obstacles varient le long du guide de manière à obtenir une loi d'illumination globale choisie pour une fréquence centrale donnée. The asymmetrical obstacles are distributed substantially periodically with a pitch much greater than the pitch of the teeth of the comb and the dimensions and positions of these obstacles vary along the guide so as to obtain a global law of illumination chosen for a given central frequency.
Les obstacles peuvent être réalisés par des barreaux conducteurs placés en travers de la cavité à des hauteurs qui varient par rapport au fond du guide selon une courbe allant croissant puis décroissant en suivant la longueur du guide. Obstacles can be produced by conductive bars placed across the cavity at heights which vary with respect to the bottom of the guide according to an increasing and then decreasing curve following the length of the guide.
La lame centrale à peigne est de préférence en cuivre découpé par photogravure. The central comb blade is preferably made of copper cut by photoengraving.
On aboutit ainsi a une antenne présentant d'excellentes caractéristiques de dispersivité de pointage sur une large bande de fréquences. This leads to an antenna having excellent pointing dispersivity characteristics over a wide frequency band.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillé qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une antenne à guide ouvert selon l'invention
- la figure 2 représente une section transversale du guide
- la figure 3 représente une réalisation plus complexe du guide, dans laquelle on peut modifier la longueur effective des dents du peigne pour modifier la direction du lobe principal de l'antenne. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows and which is given with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 shows a longitudinal sectional view of an open guide antenna according to the invention
- Figure 2 shows a cross section of the guide
- Figure 3 shows a more complex embodiment of the guide, in which one can modify the effective length of the teeth of the comb to modify the direction of the main lobe of the antenna.
- la figure 4 montre une coupe transversale correspondant à la figure 3. - Figure 4 shows a cross section corresponding to Figure 3.
L'antenne selon l'invention est donc essentiellement constituée par un guide en auge, c'est à dire une cavité rectangulaire allongée ouverte sur un coté, sur toute sa longueur, cette cavité étant formée d'un fond horizontal conducteur 10 et de deux parois latérales verticales 12 et 14 également conductrices ; les termes "horizontal" et "vertical" sont pris en référence à la position de l'antenne aux figures 1 et 2, sans préjuger de son orientation réelle dans ltespace. The antenna according to the invention is therefore essentially constituted by a trough guide, that is to say an elongated rectangular cavity open on one side, over its entire length, this cavity being formed by a horizontal conductive bottom 10 and two vertical side walls 12 and 14 also conductive; the terms "horizontal" and "vertical" are taken with reference to the position of the antenna in FIGS. 1 and 2, without prejudging its real orientation in space.
Les parois latérales parallèles 12 et 14 se prolongent vers le haut par des parois divergentes 16 et 18 s'envasant pour former un cornet d'émission sur toute la longueur du guide, ce cornet pouvant être terminé par un radôme non représenté avec éventuellement des eléments d'adaptation d'impédance, tels que des volets 20 et 22, prévus pour adapter au mieux le guide ouvert rayonnant à l'espace extérieur. The parallel side walls 12 and 14 are extended upwards by divergent walls 16 and 18 silting up to form an emission horn over the entire length of the guide, this horn being able to be terminated by a radome not shown with possibly elements impedance matching, such as flaps 20 and 22, provided to best adapt the radiating open guide to the outside space.
La cavité rectangulaire est divisée en deux sur toute sa longueur par une lame centrale mince conductrice 24, très précisément centrée dans la cavité, parallèlement aux parois latérales. La lame 24 peut, comme cela est représenté ici, s'enlever à partir du fond horizontal 10. The rectangular cavity is divided in half over its entire length by a thin central conductive strip 24, very precisely centered in the cavity, parallel to the side walls. The blade 24 can, as shown here, be removed from the horizontal bottom 10.
Cette lame est destinée à permettre la propagation le long du guide d'une énergie hyperfréquence selon le mode transverse électrique. Cette énergie est amenée par une extrémité du guide, par exemple grâce à une transition câble coaxial-guide en auge (26 sur la figure 1) ; cette transition est destinée à relier l'amie d'un câble coaxial à l'extrémité de la lame 24 pour y amener l'énergie à rayonner (l'antenne étant supposée fonctionner en émission). A l'autre extrémité du guide, la lame 24 plonge dans une charge adaptée 30 évitant les réflexions vers l'amont de l'énergie résiduelle propagée par le guide et non rayonnée. La charge 30 peut être en résine conductrice ; le guide est terminé par une plaque de court-circuit 31. This blade is intended to allow the propagation along the guide of microwave energy according to the transverse electric mode. This energy is supplied by one end of the guide, for example by means of a transition from coaxial cable to guide in trough (26 in FIG. 1); this transition is intended to connect the friend of a coaxial cable to the end of the blade 24 to bring the energy there to radiate (the antenna being supposed to function in emission). At the other end of the guide, the blade 24 plunges into a suitable charge 30 preventing reflections upstream of the residual energy propagated by the guide and not radiated. The load 30 may be made of conductive resin; the guide is terminated by a short-circuit plate 31.
La lame 24 est maintenue centrée dans le guide par exemple grâce à des inserts 28 en matériau diélectrique à faibles pertes (tétrafluore de polyéthylène par l'exemple) ajustés aux dimensions de la cavité et insérés à force ou par encliquetage dans celle-ci. The blade 24 is kept centered in the guide for example by means of inserts 28 made of dielectric material with low losses (polyethylene tetrafluor for example) adjusted to the dimensions of the cavity and inserted by force or by snap-fastening therein.
La partie supérieure de la lame 24 est constituée par un peigne à grand nombre de dents de pas p constant, les dents ayant une hauteur constante h au dessus de la partie pleine (non dentée) de la lame, sauf peut être aux extrémités de la lame ou, pour des raisons d'adaptation, la hauteur des dents croit progressivement de O à h ; la lame a elle même une hauteur constante dans sa par tie non dentée (donc au dessous des dents). The upper part of the blade 24 is formed by a comb with a large number of teeth of constant pitch p, the teeth having a constant height h above the solid (not toothed) part of the blade, except perhaps at the ends of the blade or, for reasons of adaptation, the height of the teeth gradually increases from 0 to h; the blade itself has a constant height in its non-toothed part (therefore below the teeth).
Selon une caractéristique importante de l'invention, la hauteur h des dents est au moins égale à la demi-largeur d de la cavité, c'est à dire à l'espacement entre la lame centrale 24 et les parois latérales 12 et 14, la hauteur des dents ayant en effet une influence importante sur la dispersivité en fréquence de la direction de pointage du lobe principal d'émission du rayonnement qui sera obtenu à travers l'ouverture de la cavité. According to an important characteristic of the invention, the height h of the teeth is at least equal to the half-width d of the cavity, that is to say the spacing between the central blade 24 and the side walls 12 and 14, the height of the teeth having a significant influence on the frequency dispersivity of the pointing direction of the main lobe of emission of the radiation which will be obtained through the opening of the cavity.
La demi-largeur d de la cavité est elle-même inférieure au quart de la longueur d'onde des fréquences émises dans la bande de fonctionnement de l'antenne. La lame est de préférence en cuivre découpé par photogravure, ce qui permet d'avoir une bonne précision sur la forme et les dimensions des dents du peigne, notamment pour avoir un pas constant de ces dents. The half-width d of the cavity is itself less than a quarter of the wavelength of the frequencies emitted in the operating band of the antenna. The blade is preferably made of copper cut by photoengraving, which makes it possible to have good precision on the shape and the dimensions of the teeth of the comb, in particular to have a constant pitch of these teeth.
L'antenne rayonne grâce à des obstacles dissymétriques placés alternativement de part et d'autre de la lame 24, sensiblement périodiquement, le pas entre un obstacle et le suivant étant d'environ une demi-longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande utile de l'antenne. The antenna radiates thanks to asymmetrical obstacles placed alternately on either side of the blade 24, substantially periodically, the pitch between one obstacle and the next being about half a wavelength of the central frequency of the useful band of the antenna.
L'énergie propagée dans le guide- en mode transverse électrique non rayonnant depuis ltextrémité amont du guide (transition 26), est en effet transformée partiellement, avec un couplage dépendant notamment de la hauteur des obstacles au dessus du fond 10, en énergie rayonnant en mode transverse électromagnétique. Par conséquent, à chaque obstacle, une fraction de l'énergie est rayonnée et une autre continue à se propager le long du guide, des éléments d'adaptation d'impédance pouvant être prévus à proximité de chaque obstacle pour éviter les réflexions d'énergie vers l'amont. The energy propagated in the guide - in non-radiating electrical transverse mode from the upstream end of the guide (transition 26), is in fact partially transformed, with a coupling depending in particular on the height of the obstacles above the bottom 10, into radiant energy by electromagnetic transverse mode. Consequently, at each obstacle, a fraction of the energy is radiated and another continues to propagate along the guide, impedance matching elements being able to be provided near each obstacle to avoid energy reflections. upstream.
Sur les figures 1 et 2, les obstacles dissymétriques sont des barreaux conducteurs 30 et 32, respectivement de part et d'autre de la lame 24, ces barreaux s'entendant parallèlement au fond horizontal 10 entre une paroi latérale et la lame 24. La hauteur des barreaux agit directement sur le rapport entre l'énergie rayonnée et l'énergie incidente : plus le barreau est proche du fond 10, plus l'énergie rayonnée est faible, le couplage augmentant avec la hauteur du barreau. In FIGS. 1 and 2, the asymmetrical obstacles are conductive bars 30 and 32, respectively on either side of the blade 24, these bars being understood to run parallel to the horizontal bottom 10 between a side wall and the blade 24. The height of the bars acts directly on the ratio between the radiated energy and the incident energy: the closer the bar is to the bottom 10, the lower the radiated energy, the coupling increasing with the height of the bar.
La répartition des hauteurs des barreaux est faite de manière que le guide se comporte comme une source linéaire de rayonnement hyperfréquence présentant, dans le plan de symétrie longitudinale du guide, un diagramme de rayonnement pointu dans une direction choisie pour une fréquence centrale choisie. Ce choix fait, on constate que les variations de fréquence ont une influence directe très importante sur la direction du lobe principal d'émission. The heights of the bars are distributed so that the guide behaves like a linear source of microwave radiation having, in the longitudinal plane of symmetry of the guide, a pointed radiation pattern in a chosen direction for a chosen central frequency. This choice made, it can be seen that the frequency variations have a very significant direct influence on the direction of the main emission lobe.
La répartition des hauteurs de barreaux se présente en pratique sous forme d'une courbe croissante puis décroissante après passage par un maximum. The distribution of bar heights is in practice in the form of an increasing then decreasing curve after passing through a maximum.
Comme éléments d'adaptation pour chaque barreau individuel (qui presente une impedance inductive), on peut prévoir différents moyens et notamment un deuxième barreau parallèle au barreau principal, en amont de celui-ci et plus proche du fond, le couplage mutuel entre les deux barreaux assurant l'adaptation désirée et l'élimination des réflexions indésirables. Les barreaux d'adaptation ne sont pas représentés sur les figures par souci de clarté. As adaptation elements for each individual bar (which has an inductive impedance), different means can be provided and in particular a second bar parallel to the main bar, upstream of the latter and closer to the bottom, the mutual coupling between the two bars ensuring the desired adaptation and elimination of unwanted reflections. The adaptation bars are not shown in the figures for the sake of clarity.
Comme le montre la figure 1, les inserts 28 de maintien de la lame sont de préférence répartis avec le même pas (qui n'est d'ailleurs pas forcément absolument régulier) que les barreaux 30 et 32. As shown in FIG. 1, the inserts 28 for holding the blade are preferably distributed with the same pitch (which is not necessarily necessarily absolutely regular) as the bars 30 and 32.
Dans un exemple particulier de réalisation, on a pu constater I'efficacité de l'invention : la hauteur de la lame (dents comprises) était de 55,5 millimètres, la hauteur h des dents de 17 millimètres, la largeur des dents de 3 millimètres ainsi que l'intervalle entre deux dents ; la largeur de la cavité était de 31,5 millimètres (15,5 millimètres de chaque côté d'une lame d'épaisseur 0,5 millimètre). La longueur du guide était de 4,4 mètres et 98 obstacles d'excitation (barreaux conducteurs) étaient répartis au pas de 45 millimètres (largement supérieur au pas de 6 millimètres des dents du peigne) à des hauteurs par rapport au fond 10 variant entre 1,5 et 25 millimètres. In a particular exemplary embodiment, we have seen the effectiveness of the invention: the height of the blade (teeth included) was 55.5 millimeters, the height h of the teeth of 17 millimeters, the width of the teeth of 3 millimeters as well as the interval between two teeth; the width of the cavity was 31.5 millimeters (15.5 millimeters on each side of a 0.5 millimeter thick blade). The length of the guide was 4.4 meters and 98 excitation obstacles (conductive bars) were distributed in the pitch of 45 millimeters (much greater than the pitch of 6 millimeters of the teeth of the comb) at heights relative to the bottom 10 varying between 1.5 and 25 millimeters.
On a obtenu à 2430 Mégahertz une direction de lobe prin cipal de 1,09 degré (par rapport a la normale au guide). The main lobe direction of 1.09 degrees (compared to normal to the guide) was obtained at 2430 MHz.
A 2575 Mégahertz, la direction était de 10,5 degrés ; à 2700 z de 19 degrés et à 2800 MRz de 26 degrés, soit en gros près de deux degrés par pour cent de variation de fréquence, ce qui est une valeur tout à fait intéressante. At 2575 MHz, the direction was 10.5 degrees; at 2700 z of 19 degrees and at 2800 MRz of 26 degrees, roughly close to two degrees per percent of frequency variation, which is a very interesting value.
Pour toute cette bande utile, la largeur du lobe principal était de 1,85 degré en moyenne pour un affaiblissement de 3 decibels. For all this useful band, the width of the main lobe was 1.85 degrees on average for a decay of 3 decibels.
A la frequence de 2800 MHz, les pertes en ligne, qui croissent rapidement avec la fréquence, se sont avérées être au dessous de 0,4 dB par mètre, ce qui est faible mais qui montre l'intérêt d'utiliser du cuivre pour la lame afin de garder ces pertes aussi faibles que possible. At the frequency of 2800 MHz, line losses, which increase rapidly with frequency, have been found to be below 0.4 dB per meter, which is low but which shows the advantage of using copper for the blade in order to keep these losses as low as possible.
Cette antenne à guide ouvert et à peigne central se prête bien à la réalisation d'antennes "dalles", par constitution d'un réseau plan de plusieurs guides en parallèle, la loi d'illumination dans le plan transversal à la longueur des guides étant définie par des déphasages électroniques appropriés des sources d'alimentation de chacun des guides. This antenna with open guide and central comb lends itself well to the production of "slab" antennas, by constituting a plane array of several guides in parallel, the law of illumination in the plane transverse to the length of the guides being defined by appropriate electronic phase shifts of the power sources of each of the guides.
D'autres types d'obstacles dissymétriques rayonnants peuvent être prévus, de nature capacitive ou inductive, avec des éléments d'adaptation correspondants ; ces obstacles peuvent être par exemple des pitons s'entendant à partir d'une paroi latérale, parallèlement au fond du guide et transversalement à la longueur de celui-ci, mais n'atteignant pas la lame centrale 24. Les obstacles peuvent aussi être constitués par des languettes découpées dans la lame (par photogravure en même temps que les dents du peigne), et repliées transversalement à la longueur du guide, la longueur et la position des languettes réglant le coefficient de couplage avec l'énergie incidente. Other types of dissymmetrical radiating obstacles can be provided, of a capacitive or inductive nature, with corresponding adaptation elements; these obstacles can be, for example, pitons which are heard from a side wall, parallel to the bottom of the guide and transversely to the length of the latter, but not reaching the central blade 24. The obstacles can also be formed by tongues cut from the blade (by photoengraving at the same time as the teeth of the comb), and folded transversely to the length of the guide, the length and position of the tongues regulating the coupling coefficient with the incident energy.
Les figures 3 et 4 montrent schématiquement, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale, une amélioration possible de l'invention, dans laquelle on prévoit que la hauteur effective des dents du peigne (c'est à dire celle qui est vue par le champ électrique se propageant dans le guide), peut varier mécaniquement. Figures 3 and 4 schematically show, respectively in longitudinal section and in cross section, a possible improvement of the invention, in which it is provided that the effective height of the teeth of the comb (ie that which is seen by the field propagating in the guide), may vary mechanically.
On a remarque en effet que la hauteur des dents influe considérablement sur la direction de pointage du lobe d'émission de l'antenne selon l'invention, pour une fréquence donnée et pour une constitution inchangée des autres éléments de l'antenne. It has in fact been noted that the height of the teeth has a considerable influence on the pointing direction of the antenna emission lobe according to the invention, for a given frequency and for an unchanged constitution of the other elements of the antenna.
On propose donc selon une caractéristique importante de l'invention de réaliser une antenne possédant des moyens mécaniques de variation de la hauteur effective des dents vues par le champ électrique. It is therefore proposed, according to an important characteristic of the invention, to produce an antenna having mechanical means for varying the effective height of the teeth seen by the electric field.
Aux figures 3 et 4, la lame centrale est en fait décomposee en une lame mince proprement dite 34 comportant le peigne 36 à grand nombre de dents à sa partie supérieure, et deux lames extérieures 38 et 40, enserrant la lame centrale 34 avec des intervalles très faibles 42 et 44 entre les lames extérieures et la lame centrale, ces intervalles se comportant comme des courtcircuits vis à vis du champ electrique (pièges à ondes). In FIGS. 3 and 4, the central blade is in fact broken down into a thin blade proper 34 comprising the comb 36 with a large number of teeth at its upper part, and two outer blades 38 and 40, enclosing the central blade 34 with intervals very weak 42 and 44 between the outer blades and the central blade, these intervals behaving like short circuits with respect to the electric field (wave traps).
La lame centrale peut coulisser en hauteur à l'intérieur de son logement entre les lames extérieures et faire apparaître ainsi au dessus de celles-ci une partie variable h', plus ou moins grande, de la hauteur h des dents du peigne. The central blade can slide vertically inside its housing between the outer blades and thus reveal above them a variable part h ', more or less large, of the height h of the teeth of the comb.
Seule la hauteur h' qui dépasse est vue comme un peigne par le champ électrique. Only the height h 'which exceeds is seen as a comb by the electric field.
Sur les figures 3 et 4, les lames extérieures sont fixes et la lame intérieure 34 est mobile. La lame 34 comporte des lumières obliques 46 cooperant avec des axes fixes 48 solidaires des lames extérieures pour constituer un moyen de renvoi de sorte qu'une traction longitudinale de la lame 34 fait exécuter à celleci un mouvement vers le haut faisant ressortir plus ou moins les dents du peigne Un moyen de rappel 50, agissant longitudinalement, permet de ramener la lame à une position de départ. In Figures 3 and 4, the outer blades are fixed and the inner blade 34 is movable. The blade 34 comprises oblique slots 46 cooperating with fixed axes 48 integral with the outer blades to constitute a return means so that a longitudinal pull of the blade 34 causes the latter to execute an upward movement bringing out more or less the comb teeth A return means 50, acting longitudinally, allows the blade to be brought back to a starting position.
Le centrage de la lame 34 entre les lames 38 et 40 peut être obtenu grâce à des pions 51 d'un matériau à faible coefficient de friction fixes de place en place sur la lame centrale. The centering of the blade 34 between the blades 38 and 40 can be obtained by means of pins 51 of a material with low coefficient of friction fixed from place to place on the central blade.
La lame peut être en acier argenté.The blade can be silver steel.
Les organes dissymetriques servant de sources de rayonnement peuvent être constituées par des pitons transversaux 52 fixés aux parois latérales du guide, alternativement de part et d'autre de la lame centrale. The asymmetrical members serving as sources of radiation can be constituted by transverse pins 52 fixed to the side walls of the guide, alternately on either side of the central strip.
D'autres moyens de déplacement mécanique de la lame peuvent être prévus sans sortir de cadre de l'invention. Other means of mechanical displacement of the blade can be provided without departing from the scope of the invention.
On combine grâce à ce mouvement mécanique la possibilité d'effectuer une variation de la direction de pointage par action mécanique et par action sur la fréquence d'émission. This mechanical movement combines the possibility of carrying out a variation of the pointing direction by mechanical action and by action on the transmission frequency.
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Cited By (1)
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- 1983-06-09 IT IT8367635A patent/IT8367635A0/en unknown
- 1983-06-14 GB GB838316191A patent/GB9316191D0/en active Pending
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US20200408907A1 (en) * | 2018-03-07 | 2020-12-31 | Universitetet I Oslo | Light source position sensor |
US11988744B2 (en) * | 2018-03-07 | 2024-05-21 | Universitetet I Oslo | Light source position sensor |
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---|---|---|---|
ST | Notification of lapse |